锂电池基础知识

ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd1ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd目录•电池的分类•化学电池特长和用途•什么是锂离子电池•锂离子电池的优点和缺点•二次电池产品种类性能比较•锂离子电池的应用•锂离子电池工艺流程-圆柱电池/角形电池•锂离子电池的构成-圆柱电池/角形电池•锂离子的基本材料组成•锂离子电池的相关性能要求•锂离子电池设计技术要求•锂离子电池的使用要求•生产过程各工序控制管理•生产注意点•锂离子材料与岗位知识2ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd电池的分类电池的定义：即不使用机械的手段储存或产生直流电能的装置，从其工作原理可大致分为:化学电池、物理电池、生物电池。化学电池:利用物质的电化学反应,产生电能。一般的,为人所知的「电池几乎都属于这类「化学电池」。物理电池:依靠光或热等物理变化，变换或产生电能。生物电池:利用生物化学变化,产生电能。一次电池：只能放电,放电结束后使用寿命也随之结束的电池。即所谓的干电池。二次电池：即使放电通过再次充电,如此可反复使用的电池。=充电式电池。3ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd主要的化学电池的特长和用途一次电池・空气锌电池因为正极使用了空气中的氧,电池内可聚集负极大量的锌,即使体积小也能获得大容量的电流.适用于助听器、呼叫机等。・强碱钮扣电池氧化银电池因为正极使用的物质价格很高,电池的价格也随之较高。因此产生了使用比较便宜的二氧化锰的强碱钮扣电池。经济实惠,使用范围广。・锂电池是一种体积小高电压、大电流而且使用寿命长的电池。在照相机、电子商务等方面发挥稳定的性能。另外，柱型锂电池可作为夜钓用电浮的电源，薄型锂电池被使用在薄的贮存卡、IC卡等上面。计算机、录像设备的记忆支持(记忆保持功能)。如果是锂电池使用5～10年都没问题。4ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd主要的化学电池的特长和用途・镍镉畜电池是一种我们最熟悉的充电式电池。反复地每天使用时，将使用完的干电池充电即可再次使用。适用于无线电话、电动刷、电动剃刀等每日经常使用的电器上。・镍氢蓄电池因为具有标准镍镉电池的约2倍的电容量，一次充电可使用更长使间。是一种使机器小型量轻化的电池。・锂离子二次电池体积小重量轻高能量。是手机等不可缺少的电池。摄像机、手机等更小更轻时，这种电池偏大。・铅蓄电池从小的电气制品,如汽车用的电瓶、到大的设备,如医院、高层建筑因火灾等停电时作为非常设备的电池，这些领域使用较多。二次电池5ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd什么是锂离子电池锂电池的正极材料是锂金属，负极是碳。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion又叫摇椅式电池。0.43nm石墨层锂层6ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂离子电池的优点1、高能量密度目前能达到的实际比能量为170-200Wh/kg和310-350Wh/L（2倍于Nl-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达250Wh/kg和400Wh/L2、工作电压高一个锂离子电池单体的工作电压是3.6~3.8V,这相当于3个串联的镍氢或镍镉电池组。3、安全性能好,无公害,无记忆效应.Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域,Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题7ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd4、循环寿命长一般均可达到500次以上,甚至1000次.对于小电流放电的电器,电池的使用期限将倍增电器的竞争力。5、快速充电使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器可以使锂离子电池在一至两个小时内充满电。6、自放电小室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%锂离子电池的优点8ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂离子电池的缺点1、电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。2、不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。3、需要保护线路控制。A、过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电；B、过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。9ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd二次电池产品种类性能比较电池类型酸性电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池安全好好好优秀工作电压(V)21.21.23.7重量能量比(Wh/Kg)354150-80170-200体积能量比(Wh/1)80120100-200310-350循环寿命200~300200~300300~500500以上工作温度(℃)－20~60－20~60－20~60－20~60记忆效应无有无无自放电010305毒性有毒有毒轻毒无10ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池的应用●手机●数码相机●对讲机●笔记本电脑●电动钓鱼杆●微型打印机●矿灯●移动DVD11ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池的工艺流程-圆柱电池12ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池的工艺流程-角形电池13ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd电池的构成-圆柱电池14ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd电池的构成-圆柱电池安全部件动作形态ＰＴＣ素子●由于外部短路・充放电时的过电流，电流变大时电阻会急剧上升、控制了电流，因此可以防止电池的异常发热安全板●利用过充电时产生气体，电池内压上升的原理，通过电流遮断机构遮断电流、来防止电池的破裂起火。●由于燃烧、加热、压坏等，电池内压急剧上升时、防爆阀破裂、解放电池内压、来防止电池的破裂电池壳●由于燃烧、加热、压坏等，电池内压急剧上升防爆破断阀时、防爆阀破裂、解放电池内压、来防止电池的破裂。（动作压为封口部铆接耐压以下）隔离膜●由于短路、大电流的通过引起发热时、隔离膜绝缘体化、抑制电流，来防止电池的异常发热。15ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd电池的构成-圆柱电池16ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd电池的构成-角形电池17ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池的基本材料组成1.正极材料：钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂（三元材料），新材料有磷酸铁锂、镍酸锂等。2.负极材料：人造碳素、天然石墨等，目前大量应用。3.导电剂：炭黑、乙炔黑等；4.粘合剂：聚偏氟乙烯材料5.隔膜：PE、PP的复合膜，是一种微孔膜。6.导电柄：镍带、铝带、铝镍复合带等；7.保护胶带：高温保护胶带；8.绝缘板：材质PP9.电解液：EC、DEC等有机溶剂+LiPF6。10.安全防护部件：正极端子、PTC、安全阀等。11.壳体：金属铝、不锈钢镀镍钢壳、铝塑复合膜。18ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池相关性能要求：•电性能–能量密度–循环性能–内阻–倍率性能•安全性能（圆柱UL1642（国际标准）角形：UL46972，GB/T18287-2000（国标）–非正常充放电安全性能–环境安全性能–机械安全性能•能量密度：–高容量电池：～400Wh/L,160Wh/kg–高功率电池：～300Wh/L,110Wh/kg19ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池相关性能要求：内阻电池结构：极片厚度、长度、宽度、焊接；材料特性；一般和容量成反比；循环性能一般要求：常温500％（20％容量衰减）环境影响：30－40度表现最佳，50度衰减加速较大20ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池相关性能要求：倍率性能•一般使用对倍率的要求约1C•大电流电池要求很高的倍率放电性能，如5C，10C等。自放电性能•自放电比较小，常温存储5％/月。•正常自放电来源？–自蚀–内部微电流消耗•异常情况？–微短路–杂质腐蚀–材料不稳定21ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池相关性能要求：高温储存性能•测试在某种SOC下，一定温度下存储后的容量保持率、内阻变化和厚度增长。•一般测试温度有60、80、85度•对软包装电池，最重要的是厚度增长不能超标（一般要求10％）。高温高湿检测性能•对电池密封性的一种测试。•测试环境湿度约95％，温度为65度。•要求容量保持率、内阻变化和厚度变化在规定范围内。22ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池相关性能要求：热箱测试性能•评估电池在环境温度超标情况下电池的安全性能。•UL测试为130度，要求在规定时间内不冒烟不着火不爆炸。•失效原因可能是正极或负极和电解液反应，或隔离膜收缩导致的局部短路。短路安全性能•UL要求满充电池在100mohm电阻导线短路条件下电池不冒烟不着火不爆炸。•测试环境温度影响很大，60度测试比较苛刻。•主要失效原因是短时大电流放电发热导致电池内部反应失控或短路。钉刺安全性能•评估电池非正常内短路条件下的安全特性。•UL要求在2.8mm铁钉刺穿后不冒烟不着火不爆炸。•主要失效原因是局部短路和过热造成的反应失控。23ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂电池相关性能要求：过充电性能•模拟电池使用过程中可能会面临的非正常充电状态下安全性能，要求不冒烟，不着火，不爆炸。•正极是过充失效的主要控制环节。•主要失效原因是正极导致的热失控和化学反应失控。过放电性能•要求放电到0V不冒烟不起火不爆炸。•我们的电池一般只是鼓气，百分百通过。•振动挤压性能•模拟测试电池抗意外机械破坏时的安全特性。24ShanghaiChampionScience&TechnologyCo.，Ltd锂离子电池设计技术要求(1)、锂离子含量相当容量，即：正极活性物质的当量决定容量。►LiCoO2+CLiC6+LixCoO2(2)、正极活性物质过量会析出锂枝晶，易产生安全问题，所以负极的活性物质比正极的活性物质设计稍微过量。►LiCoO2+CLiC6+LixCoO2+Li(3)、电解液起到运输锂离子的作用，因此实际Li+当量量必须保证。25