电池及锂电池基础知识培训

目录第一部分电池基础常识第二部分电池基本术语第三部分锂离子电池工作原理及性能简介第四部分锂离子电池电源管理第五部分锂离子电池的应用前景第一部分电池基础常识电池的定义：不必要伴随有机械运动，而将各种能量直接转化为直流电能的发电装置。一种能量转化与储存的装置.1.化学电池：将化学能直接转变成电能的发电装置；2.物理电池：通过物理变化将光能、热能等直接转变为电能的发电装置；3.组成化学电池的必要条件：3.1必须把化学反应中的氧化过程（失去电子过程）和还原过程（得到电子过程）分隔在两个区域内进行；3.2正负极之间有离子导电物质；3.3物质在进行氧化还原时，电子必须通过外线路。电池的概念第一部分电池基础常识电池在放电过程中，负极发生氧化反应，向外提供电子；在正极上进行还原反应，从外电路接收电子，电子从负极流到正极，而电流方向正好与电子流动方向相反，故电流经外电路从正极流向负极。电解质是离子导体，离子在电池内部的正负极之间定向移动而导电，阳离子流向正极，阴离子流向负极。整个电池形成了一个由外电路的电子体系和电解质的离子体系构成的完整放电体系，从而产生电能。电池的工作原理第一部分电池基础常识电池的连接：根据电池的电压与容量的需求，可以把电芯做串联，并联及混联连接。a、串联：电压升高，容量基本不变；b、并联：电压基本不变，容量升高；c、混联：电压与容量都会升高。+-++--并联串联混联第一部分电池基础常识化学电池的种类二次电池电池一次电池镍镉电池镍氢电池铅酸电池锂电池金属锂电池液态锂离子电池聚合物锂离子电池糊式电池普通碳性锌-锰电池碱性电池第一部分电池基础常识电池的构成电池一般由电芯、Fuse（或PTC）、保护板（或电路板）、五金片、外壳以及一些辅料组成。①单节电池的电路示意图电芯B+B-电路板P+P-PTC或Fuse第一部分电池基础常识保护板保护板通常包括控制IC、MOS开关及辅助器件NTC、ID存储器等。其中控制IC，在一切正常的情况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路沟通，而当电芯电压或回路电流超过规定值时，它立刻控制MOS开关关断，保护电芯的安全。PCB电容电阻MOS管控制IC第一部分电池基础常识过充保护：当电芯电压升到一定值时（4.4V以下），保护板会切断充电回路。过放保护：当电芯电压低到一定值时（2.2V以上），保护板会切断放电回路。短路保护：当电池正、负极两端短路时，可迅速切断回路，保护电芯。过流保护：当电池输出电流超过某一值时（2A左右），保护电路会切断输出回路。其它辅助功能：保护板上一般还有NTC、识别电阻以及解码芯片等，主要作用是保证电池能与主机及原装充电器正常充电与使用。保护板的功能第二部电池基本术语(一)、电压（概念：即电位差，是产生电流的力）1.开路电压：电池与外电路没有接通时，即没有电流流过时电极之间的电位差，等于正极电位与负极电位之间的差值。2.工作电压：又称放电电压或负荷电压，是指电池对外输出电流时，电池两极间的电位差。工作电压总是低于开路电压。3.终止电压：电池充放电时，电压上升或下降到某数值，电池不宜再继续充电或放电的工作电压。一般在充电时，终止电压为4.2V，放电时为3.0V或2.75V。第二部电池基本术语(二)、容量电池容量是电池对用电器输出的电量。单位为mAh或Ah。(1Ah=1000mAh)，容量大小是由正负极中活性物质的数量多少来决定的（一是活性物质的重量；二是活性物质的利用率）。1.额定容量：在设计和制造电池时，规定电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的电量。2.比容量：为了对不同的电池进行比较，引入比容量概念。比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量，称为质量比容量或体积比容量。第二部电池基本术语(三)、内阻电池内阻包括欧姆电阻(RΩ)和电极在电化学反应时所表现的极化电阻(Rf)。欧姆电阻、极化电阻之和为电池的内阻(Ri)。欧姆电阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。隔膜电阻是当电流流过电解液时，隔膜有效微孔中电解液所产生的电阻(RM)。RM=ρs·J式中RM是隔膜电阻；ρs是溶液比电阻；J表征隔膜微孔结构的因素等。结构因素包括膜厚、孔率、孔径、孔的弯曲程度。极化电阻Rf是指电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。第二部电池基本术语(四)、能量和比能量电池在一定条件下对外作功所能输出的电能叫做电池的能量，单位一般用wh表示。1.理论能量电池的放电过程处于平衡状态，放电电压保持电动势(E)数值，且活性物质利用率为100％，在此条件下电池的输出能量为理论能量(W0)，即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非膨胀功(W0=C0E)2.实际能量电池放电时实际输出的能量称为实际能量。W=V工作ItV工作=V开路－IR第二部电池基本术语3.比能量单位质量和单位体积的电池所给出的能量，称质量比能量或体积比能量，也称能量密度。比能量的单位为wh/kg或wh/L。目前聚合物锂离子电池重量比能量为170-190wh/kg.第二部电池基本术语1.2放电平台放电平台是指在电池任何倍率的电流下恒流充到电压为4.2V，再恒压充电，并且充电电流小于0.01C时停止充电即充满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间。因一般使用锂离子电池的家用电器的工作电压都要求在3.6V以上，如果低于这个值，则会出现无法工作的情况。所以放电平台是衡量电池性能好坏的重要标准之一。第三部分锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理锂离子电池实际上是一个能量转换器件。它的正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。充电是一个强制的过程，把电能转换成化学能；而放电则是一个自发进行的过程，化学能转换成电能，供用电器件使用。锂离子进入电极过程叫嵌入，从电极中出来的过程叫脱出，在充放电时锂离子在电池正负极中往返的嵌入———脱出，正像摇椅子一样在正负极中摇来摇去，故有人将锂离子电池形象的称为“摇椅电池”。在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。第三部分锂离子电池工作原理锂离子电池结构a.正极：预先锂化的过渡金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等b.负极：具有特殊结构的碳材，如软碳、硬碳石墨和石墨化碳纤维等c.电解液：有机溶剂和锂盐的溶液，例如PC(碳酸丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、DMC(二甲基碳酸酯)、DEC(二乙基碳酸酯)、1MLiPF6。电导率为6.79mS/cm，水含量6ppm，HF含量8ppm。d.隔膜：多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜e.包装材料：铝塑复合膜/铝合金料第三部分锂离子电池工作原理液态锂离子电芯与聚合物锂离子电芯结构比较第三部分锂离子电池工作原理锂离子电池充放电曲线第三部分锂离子电池工作原理锂离子电池的特点高能量密度：锂离子电池与同容量的镍镉或镍氢电池相比较，质量约减轻一半,体积比镍镉电池小35%~45%，比镍氢电池小20%~25%。高电压：锂离子电池的工作电压相当于三个镍镉电池或镍氢电池串联组合在一起。高倍率放电：能够用2C电流持续放电。无污染：不包含重金属污染物质，如镉、铅、水银等。安全可靠：具有极高安全性，不受航空禁运条例限制。循环寿命长：可达300~500次以上。无记忆效应，可快速充电特别是锂聚合物电芯，其安全性更高，且可柔性设计。第四部分锂离子电池电源管理保护板的由来锂离子电池(可充型)之所以需要保护，是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池锂电组件总会跟着一块精致的保护板和一片电流保险器出现。锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC等电流器件协同完成，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流，及时控制电流回路的通断；PTC在高温环境下防止电池发生恶劣的损坏。第四部分锂离子电池电源管理锂离子电池构造保护板电芯PTC第四部分锂离子电池电源管理保护板的组成保护板通常包括控制IC、MOS开关及辅助器件NTC、ID存储器等。其中控制IC，在一切正常的情况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路沟通，而当电芯电压或回路电流超过规定值时，它立刻控制MOS开关关断，保护电芯的安全。NTC是Negativetemperaturecoefficient的缩写，意即负温度系数，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充电设备及时反应、控制内部中断而停止充放电。ID是Identification的缩写，即身份识别的意思它分为两种：一是存储器，常为单线接口存储器，存储电池种类、生产日期等信息；二是识别电阻。两者可起到产品的可追溯和应用的限制。第四部分锂离子电池电源管理保护板的组成MOS管电阻PCB保护IC电容第四部分锂离子电池电源管理保护板的基本指标1、导通电阻：定义：当充电电流为500mA时，MOS管的导通阻抗。由于通讯设备的工作频率较高，数据传输要求误码率低，其脉冲串的上升及下降沿陡，故对电池的电流输出能力和电压稳定度要求高，因此保护板的MOS管开关导通时电阻要小，单节电芯保护板通常在70mΩ，如太大会导致通讯设备工作不正常，如手机在通话时突然断线、电话接不通、噪声等现象。第四部分锂离子电池电源管理保护板的基本指标2、自耗电流定义：IC工作电压为3.6V，空载状态下，流经保护IC的工作电流，一般极小.保护板的自耗电流直接影响电池的待机时间，通常规定单节保护板的自耗电流小于7微安.3、电流能力保护板作为锂电芯的安全保护器件,既要在设备的正常工作电流范围内,能可靠工作,又要在当电池被意外短路或过流时能迅速动作,使电芯得到保护.5、机械性能、温度适应能力、抗静电能力保护板必须能通过国标规定的震动,冲击试验;保护板在-40到85度能安全工作,能经受±15KV的非接触ESD静电测试.第四部分锂离子电池电源管理单节电芯保护板电路原理IC过放控制过充控制+-充电FUSE电芯MOS管第四部分锂离子电池电源管理单节电芯保护板电路原理如图中，IC由电芯供电，电压在1.5v－10v均能保证可靠工作。第四部分锂离子电池电源管理单节电芯保护板电路原理1、过充保护当电池被充电使电压超过设定值VC(4.25-4.35V)后，VD1翻转使Cout变为低电平，T1截止，充电停止，当电池电压回落至VCR(3.8-4.1V)时，Cout变为高电平，T1导通充电继续。第四部分锂离子电池电源管理单节电芯保护板电路原理1、过充保护IC电量过放控制过充控制+-充电第四部分锂离子电池电源管理单节电芯保护板电路原理1、过充保护IC电量过放控制过充控制+-充电4.25-4.35V3.8-4.1V第四部分锂离子电池电源管理单节电芯保护板电路原理2、过放保护当电池电压因放电而降低至设定值VD（2.3-2.5V）时，VD2翻转，以IC内部固定的短时间延时后，使Dout变为低电平，T2截止，放电停止。第四部分锂离子电池电源管理单节电芯保护板电路原理2、过放保护电量过放控制过放控制-IC+放电LOAD第四部分锂离子电池电源管理电压-放电2.3-2.5VIC+LOAD单节电芯保护板电路原理2、过放保护第四部分锂离子电池电源管理当电路放电电流超过设定值或输出被短路时，过流、短路检测电路动作，使MOS管关断，电流截止。3、过流、短路保护单节电芯保护板电路原理第四部分锂离子电池电源管理IC过放控制过放控制+-放电电流门限单节电芯保护板电路原理3、过流、短路保护第四部分锂离子电池电源管理多电芯锂离子电芯串联电池保护板电路原理第四部分锂离子电池电源管理1、原理框图同单节电芯一样，在多节电芯保护电路中，保护板同样必须能对电芯提供过充、过放、过流、短路等保护。IC过放控制过充控制-n节电芯+多电芯锂离子电芯串联电池保护板电