锂离子电池基本知识培训

锂离子电池基本知识培训Preparedby:殷世抒Date:2012/03/2内容1.关键词1.1二次电池的主要类别1.2锂离子电池的特性2.反应原理2.1正常充放电过程2.2异常充放电过程3.材料的主要成分，作用及其特性2.1正极材料2.2负极材料2.3隔膜2.4电解液2.5铝塑膜/钢壳-盖帽2.6极耳4.主要的性能参数，影响因素及相对应的关键控制点1.2锂离子电池的特性（1）1.2.1安全性锂离子电池由于具有能量密度高、输出电压高、容量高等优点；而这些优点同时也带来了锂离子电池的安全性隐患。一般来说，能量密度，电压及容量越高，安全性就越差。锂离子电池的电极反应机理，电池的材料体系决定了锂离子电池一旦出现滥用，将非常容易导致热失控，从而引发起火，爆炸等安全事故。1.2锂离子电池的特性（2）各种电池的比较技术参数镍-镉电池镍氢电池锂离子电池工作电压（V）1.21.23.7克容量/（mAh/g)5065130~160能量密度/（Wh/L)150~200280~320490~570充放电循环/次500500500-1000自放电率（%/年）25--3030--356--9记忆效应有无无对环境的影响镉,严重污染重金属污染无污染安全性高高低锂离子电池为高储能体2反应原理基本反应原理：充电过程：锂离子在负极表面得到电子，被还原为锂原子；然后在微弱的共价键作用下，镶嵌到石墨分子（6个碳原子）中。放电过程:锂原子从LiC6中脱嵌而出，失去电子变成锂离子，回到电解液和正极。+充电放电2.1正常充放电过程充电过程：正极反应：Li1MO2----Li1-xMO2+xLi+xe-负极反应：C+xLi++xe-----CLix总反应：Li1MO2+C--Li1-xMO2+CLix放电过程：正极反应：Li1-xMO2+xLi++xe----LiMO2负极反应：CLix-----C+xLi++e-总反应：Li1-xMO2+CLix--Li1MO2+C2.2异常充放电过程过充电：通常指电压高于4.2v以上。一般高于4.35v会严重损伤电池性能。从分子层面看，可以直观的理解，过度充电将把太多的锂原子硬塞进负极碳结构里去，当没有足够的石墨分子来“存放”锂原子时，锂原子将在负极石墨表面结晶，即“析锂”现象；当枝晶越长越大时，可能刺穿隔膜导致短路。过放电：通常指电压低于3.0v。一般低于2.0v会严重损伤电池性能。过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷。同时，当电池电压低于铜的氧化电位时，铜箔将会溶解进入电解液，并在正极片上面结晶析出，即“析铜”现象。过电流充（大倍率）放电：可能会严重损伤电池，导致鼓胀，起火，爆炸等事故。严重过充的可能后果:1）：容量衰减快，电压衰减快；2）：鼓胀，起火，爆炸。严重过放的可能后果：1）：容量衰减快，电压衰减快；2）：鼓胀2.3析锂和析铜的照片析锂析铜3电池材料3.1正极材料：材料克容量(mAh/克)平台(3.6v)过充性能高温性能循环寿命安全性钴酸锂140-16080-90%4.6v好1000次差锰酸锂100-12090%4.8v差300次差三元(锂镍钴锰)130-15050%4.6v好500-800次差磷酸铁锂130-14090%(3.2v)?好3000次好正极材料的主要作用：提供导电正电荷（Li离子）。正极材料的晶体结构3.2负极材料负极材料主要是石墨，分天然石墨，人造石墨，改性石墨等。石墨吸附能力非常强，很容易吸收水分，吸收灰尘，吸收气体，因此要密封保存。层状石墨无定形体在空气中的着火点很高(1000度以上），但如果颗粒非常小，有明火存在时则在750-800度比较容易被引燃。化学性能稳定，常温下不与酸性，碱性，有机或无机溶液发生反应。负极材料的主要作用：1）包容锂原子，形成LiC，降低Li原子的化学活性。2）导电性好，有利于降低电池的内阻。小问题：卷绕工序为什么要求负极必须完全包住正极？3.3隔膜隔膜的成分：PP+PE隔膜的结构分类：单层，双层，三层常用的隔膜是一层PP和一层PE（或两层PP）压合在一起形成。每层膜的微观结构上都有很多微孔，能够透过分子直径比较小的气体分子，能通过离子，但不能通过电子。隔膜的特性:1）受热收缩：80°以上的环境中，长度和宽度两个方向都会受热收缩；2）离子导通，电子关断。3）软化点130-140°，熔点170-190°。隔膜的作用：1）在正负极之间起到绝缘作用；2）充放电的过程中，通过锂离子穿行来实现电荷的转移。小问题：1）设计上，隔膜宽度为什么要比正负极都宽？2）注液前真空烘烤工序的烘烤温度为什么要求是在80-90°？3.4电解液主要成分1）溶剂：PC/EC/DEC/EMC/DMC等碳酸酯类的混合物，还有一些添加剂，其中DMC（碳酸二甲酯）的凝固点为4°，沸点为90°。2）溶质：六氟磷酸锂LiPF6.浓度通常为1mol/升。作用：在充放电过程中作为一种媒介，并提供足够多的正电荷。化学特性：1.溶剂：1）低温易凝固，阻抗增加，使导电能力急剧减弱；2）高温易分解，产生许多种复杂的气体组分，电池内部气压升高导致鼓胀漏液，或者内阻升高，电压及容量迅速衰减。2.溶质：LiPF6极易发生水解，产生大量的氢氟酸。LiPF6+H2O-----LiPO3+3HF+LiF小问题：午饭后上班时，手套箱杯子里面的电解液为什么要倒掉？3.5极耳组成：金属片+极耳胶金属片的作用：连接电池内部的极片和外部的保护线路或用电器。极耳胶的作用：1）顶封时，通过极耳胶把上下两层铝塑膜粘合起来；2）防止金属片与铝塑膜的铝箔短路。小问题：1）极耳胶的宽度为什么是5mm而不是4mm？2）顶封时，极耳胶外露为什么至少要有0.1mm？3.6铝塑膜铝塑膜的供应商1）Showa，即昭和电工株式会社。2）DNP，即大日本印刷株式会社。铝塑膜的结构铝塑膜的作用：小问题：为什么顶侧封的温度是180—210°？小问题：DNP铝塑膜封印厚度150-170um是否合理？40um30um30-35um5um5um3.7圆柱盖帽盖帽的结构1）铁帽2）PTC3）大铝片4）小铝片5）胶圈小问题：1）盖帽来料为什么要均匀涂胶水？2）高倍率电池的盖帽为什么没有PTC？3）短路测试通不过时，为什么设计上在极耳外面焊接一个PTC就可以通过测试？4电池的主要性能（1）4.1容量的影响因素1）正极偏轻（材料偏少）2）负极比例不够，导致正极容量发挥不出来3）负极未包住正极，析锂导致容量损失4）电解液性能不好，或电解液量不足5）隔膜孔隙率太小，锂离子难以穿过6）内部短路导致漏电流偏大7）过充/过放导致正负极或隔膜严重损伤8）鼓胀或漏液4电池的主要性能（2）4.2内阻的影响因素1）电解液电导率2）隔膜孔隙率3）正负极材料的导电性4）正负极材料结构及其稳定性5）涂布面密度及压实密度6）电芯的卷绕结构，容量7）虚焊8）断片9）鼓胀或漏液10）盖帽内部脏污11）内部短路4电池的主要性能（3）4.3电压衰减1）烧极耳2）内部微短路3）过充过放，过流4）鼓胀5）保护板漏电流大4电池的主要性能（4）4.4鼓胀的影响因素1）电芯内部水含量高2）外部短路3）内部短路4）过充，过放，过流5）温度过高，导致电解液分解6）封口不良，水汽进入7）电解液严重不够4电池的主要性能（5）4.5起火/爆炸的主要原因1）内部短路（如圆柱电芯正极耳碰壁，封口短路等）2）外部短路3）过充，过放，过流4）高温导致隔膜剧烈收缩5）负极未包住正极要点总结1.曙鹏控制鼓胀的措施都有哪一些？1）设计方面2）过程方面2.曙鹏控制起火/爆炸的措施都有哪一些？1）设计方面2）过程方面Thankyouforyourattention