锂离子电池基础知识课件

内容l一、电池分类l二、锂离子电池简介l三、锂离子电池之电化学反应机理l四、锂离子电池之应用领域l五、锂离子电池之结构l六、液态锂离子电池之工艺流程l七、锂离子电池之性能指标l八、锂离子电池质量认证1内容一、电池分类1一、电池分类 我们生活中经常接触的电池总结起来可分为五大类：我们生活中经常接触的电池总结起来可分为五大类：l第一类：铅酸电池第一类：铅酸电池Lead-acid batteryl第二类：镍镉电池第二类：镍镉电池Nickel-Cadmium(Ni-Cd)Nickel-Cadmium(Ni-Cd)l第三类：镍氢电池第三类：镍氢电池Nickel-Metal Hudride(Ni-MH)Nickel-Metal Hudride(Ni-MH)l第四类：碱性电池第四类：碱性电池(Alkaline)(Alkaline)l第五类：锂电池第五类：锂电池(Lithium)(Lithium)2一、电池分类 我们生活中经常接触的电池总结起来可分为五大类：铅酸电池铅酸电池VRLAVRLA 正极为二氧化铅正极为二氧化铅PbO2，负极为铅，负极为铅Pb，电解质为稀硫酸，电解质为稀硫酸H2SO4水溶液，目前最常见的是一种免维护阀控式铅酸电水溶液，目前最常见的是一种免维护阀控式铅酸电池池(Valve Regulated Lead Acid Battery，VRLA)铅酸电池的优点是放电时电压较稳定，价格便宜；缺点是铅酸电池的优点是放电时电压较稳定，价格便宜；缺点是比能量（单位重量所蓄电能）小，对环境腐蚀性强比能量（单位重量所蓄电能）小，对环境腐蚀性强。单个铅酸电池的电压约为单个铅酸电池的电压约为2V2V左左右，常用串联方式组成右，常用串联方式组成6 6伏或伏或1212伏的蓄电池组。伏的蓄电池组。3铅酸电池VRLA 正极为二氧化铅PbO2，负极为铅镍镉电池镍镉电池Ni-CdNi-Cd 正极为羟基氧化镍正极为羟基氧化镍NiOOH，负极为金属镉，负极为金属镉Cd，电解质为，电解质为KOH或者或者NaOH水溶液。水溶液。这种电池具有良好的大电流放电特征、低温特性好等优点。这种电池具有良好的大电流放电特征、低温特性好等优点。但是镍镉电池还有许多致命的缺点，例如记忆效应、寿命但是镍镉电池还有许多致命的缺点，例如记忆效应、寿命短、重金属造成的严重污染等。短、重金属造成的严重污染等。单个镍镉电池的单个镍镉电池的电压约为电压约为1.2V1.2V左左右，满电状态下右，满电状态下约为约为1.4V1.4V，常用，常用串联方式组成串联方式组成9V9V电池组。电池组。4镍镉电池Ni-Cd 正极为羟基氧化镍NiOOH，负极为镍氢电池镍氢电池Ni-MHNi-MH 正极为羟基氧化镍正极为羟基氧化镍NiOOH，负极为储氢合金，负极为储氢合金MH，电解质，电解质为为KOH水溶液。水溶液。Ni-MH中，中，M为储氢合金，为储氢合金，MH为吸附了为吸附了氢原子的储氢合金，最常用储氢合金为氢原子的储氢合金，最常用储氢合金为LaNi5。镍氢电池容量比镍镉电池大一倍，对人体和环境无伤害，镍氢电池容量比镍镉电池大一倍，对人体和环境无伤害，价格比锂电要低价格比锂电要低，在同等设计和一样的使用环境下，在同等设计和一样的使用环境下，Ni-Ni-MHMH电池的寿命一般比电池的寿命一般比Ni-CdNi-Cd电池长电池长40%40%。镍氢电池的缺点镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。单个镍氢电池的单个镍氢电池的电压约为电压约为1.2V1.2V左左右，满电状态下右，满电状态下约为约为1.4V1.4V，常用，常用串联方式组成串联方式组成9V9V电池组。电池组。5镍氢电池Ni-MH 正极为羟基氧化镍NiOOH，负极为碱性电池碱性电池 它是我们日常生活中常用的一种电池，这类电池全称为碱它是我们日常生活中常用的一种电池，这类电池全称为碱性锌锰电池，它是以锌粉为负极，电解二氧化锰为正极，性锌锰电池，它是以锌粉为负极，电解二氧化锰为正极，以氢氧化钾为电解液制成的电池以氢氧化钾为电解液制成的电池。它的优点包括有电量大、电流强、寿命长、输出稳定、低它的优点包括有电量大、电流强、寿命长、输出稳定、低温特性良好，保存时间长等。但是，一般情况下大多数碱温特性良好，保存时间长等。但是，一般情况下大多数碱性电池都不能充电，一次使用完就没用了，所以使用代价性电池都不能充电，一次使用完就没用了，所以使用代价是比较高的，而且对环境也会造成一定的污染。是比较高的，而且对环境也会造成一定的污染。单个碱性电池的电压约为单个碱性电池的电压约为1.5V1.5V左右。左右。6碱性电池 它是我们日常生活中常用的一种电池，这类电池全锂电池锂电池l采用含有锂元素的材料作为电极的电池都称为锂电池采用含有锂元素的材料作为电极的电池都称为锂电池。大致。大致可分为锂电池和锂离子电池两种类型。可分为锂电池和锂离子电池两种类型。l锂电池：正极为二氧化锰锂电池：正极为二氧化锰(MnO2)或亚硫酰氯或亚硫酰氯(Li-SOCl)，负，负极为金属锂，电解质为有机溶剂。极为金属锂，电解质为有机溶剂。l锂离子电池：这种电池无论在正负极还是在电池隔膜中，锂锂离子电池：这种电池无论在正负极还是在电池隔膜中，锂都是以离子形式存在的，所以称之为锂离子电池，锂离子电都是以离子形式存在的，所以称之为锂离子电池，锂离子电池负极是碳素材料，如石墨等。正极则是含锂的过渡金属氧池负极是碳素材料，如石墨等。正极则是含锂的过渡金属氧化物。电解质是含锂盐的有机溶液。化物。电解质是含锂盐的有机溶液。锂锂-二氧化锰电池二氧化锰电池Li-MO2（CR）锂锂亚硫酰氯电池亚硫酰氯电池 Li-SOCl锂离子电池锂离子电池 Li-ion7锂电池采用含有锂元素的材料作为电极的电池都称为锂电池。大致锂离子电池的优点锂离子电池的优点l能量密度高，输出功率大能量密度高，输出功率大l平均输出电压高（约平均输出电压高（约3.6V），为），为Ni-Cd、Ni-MH电池的电池的3倍倍l自放电小，不到自放电小，不到Ni-Cd、Ni-MH电池的一半电池的一半l没有没有Ni-Cd、Ni-MH电池一样的记忆效应电池一样的记忆效应l可快速充放电，充放电效率高可快速充放电，充放电效率高l工作温度范围宽工作温度范围宽-30+45 C，无需维修，无需维修l对环境较为对环境较为“友好友好”，称为绿色电池，使用寿命长，称为绿色电池，使用寿命长8锂离子电池的优点能量密度高，输出功率大8锂离子电池的缺点锂离子电池的缺点p 成本高，主要是正极材料成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格高，随着正极技术的的价格高，随着正极技术的不断发展，采用不断发展，采用LiMn2O4、LiFePO4等为正极材料，有望大大等为正极材料，有望大大降低成本；降低成本；p 必须有特殊的保护电路，以防过充过放；必须有特殊的保护电路，以防过充过放；p 与普通电池的相容性差，一般要在用与普通电池的相容性差，一般要在用3节普通电池（节普通电池（3.6V）的情况下才能用锂离子电池替代的情况下才能用锂离子电池替代 同优点相比，这些缺点不成为主要问题，特别是用于一些高同优点相比，这些缺点不成为主要问题，特别是用于一些高科技、高附加值的产品中，故应用范围非常广泛科技、高附加值的产品中，故应用范围非常广泛9锂离子电池的缺点 成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格放电电流大小的比较：镍镉电池镍氢电池锂离子电池锂离子电池的缺点：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。10放电电流大小的比较：镍镉电池镍氢电池锂离子电池锂离子电池的缺二、锂离子电池简介 l锂离子电池是锂电池的改进型产品，锂电池很早以前锂离子电池是锂电池的改进型产品，锂电池很早以前就有了，但锂是一种高度活跃的金属，它使用时不太就有了，但锂是一种高度活跃的金属，它使用时不太安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，后来安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，后来就有了改进型的锂离子电池，加入能抑制锂元素活跃就有了改进型的锂离子电池，加入能抑制锂元素活跃的成份（比如钴、锰等等）从而使锂电真正达到了安的成份（比如钴、锰等等）从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电池也随之基本上淘汰了。全、高效、方便，而老的锂电池也随之基本上淘汰了。l如何区分锂电池和锂离子电池：从电池的标识上就能如何区分锂电池和锂离子电池：从电池的标识上就能识别，锂电池为识别，锂电池为Li、锂离子电池为、锂离子电池为Li-ion。现在，笔。现在，笔记本和手机使用的所谓记本和手机使用的所谓“锂电池锂电池”，其实都是锂离子电，其实都是锂离子电池。池。11二、锂离子电池简介 锂离子电池是锂电池的改进型产品，锂电池很二、锂电池简介 l目前市面上所使用的锂离子目前市面上所使用的锂离子(Li-ion)(Li-ion)电池量产的有两电池量产的有两种类型。种类型。l1 1、液体锂离子电池（、液体锂离子电池（LiB)LiB)：使用液体电解液的锂离子电池。目前市场上使用液体电解液的锂离子电池。目前市场上80%80%以上以上的锂离子电池均为此类。的锂离子电池均为此类。l2 2、聚合物锂离子电池（、聚合物锂离子电池（LiPLiP）：）：在正极、负极、电解液这三种主要构造中至少有一项在正极、负极、电解液这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为其主要材料的锂离子或一项以上使用高分子材料作为其主要材料的锂离子电池。目前高分子材料主要是被应用于正极及电解质。电池。目前高分子材料主要是被应用于正极及电解质。12二、锂电池简介 目前市面上所使用的锂离子(Li-ion)电池各种“锂”电池之间的区别聚合物锂离子电池(LIP)液态锂离子电池(LIB)锂锰电池(LithiumButtonCell)“锂锂锂锂”电池电池电池电池可充不可充13各种“锂”电池之间的区别聚合物锂离子电池(LIP)液态锂离子二、锂离子电池简介 l正极：一般采用锂化合物钴酸锂正极：一般采用锂化合物钴酸锂LiLiX XCoOCoO2 2、镍酸锂、镍酸锂LiLiX XNiONiO2 2 、锰酸锂、锰酸锂LiLiX XMnOMnO2 2、三元材料镍钴锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂Li(NiCoMn)OLi(NiCoMn)O2 2、磷酸铁锂、磷酸铁锂LiFePO4LiFePO4。目前绝大部分锂。目前绝大部分锂离子电池采用的是钴酸锂作为正极。离子电池采用的是钴酸锂作为正极。l负极：采用锂负极：采用锂-碳层间化合物碳层间化合物LiLiX XC C6 6。l电解质：溶解有锂盐电解质：溶解有锂盐LiPFLiPF6 6 、LiAsF LiAsF6 6等有机溶液。等有机溶液。14二、锂离子电池简介 14LiNiO2LiCoO2LiMn2O4三元三元复合材料复合材料LiFePO4实用正极材料实用正极材料实用正极材料实用正极材料15LiNiO2LiCoO2LiMn2O4三元LiFePO4实用类别安全性能比容量mAh/g循环寿命/次电压平台材料成本所占成本比重适合领域钴酸锂差差 1455003.6高高40%中小型移动电池中小型移动电池锰酸锂较好较好105 5003.7低低25%对体积不敏感的对体积不敏感的中型动力电池中型动力电池三元素较好较好160 8003.6较高较高33%中小型动力电池中小型动力电池磷酸铁锂很好很好 150 15003.2低廉低廉25%对体积不敏感的对体积不敏感的大型动力电源大型动力电源几种正极材料应用优劣势比较几种正极材料应用优劣势比较目前看来，磷酸铁锂材料最适合制作大型动力电池，已成为世界各国竞相研究和开发的重要方向！锂离子电池关键正极材料锂离子电池关键正极材料16类别安全 性能比容量循环寿命/次电压 平台材料成本所占成本锂电池用负极材料锂电池用负极材料碳材料碳材料非碳材料非碳材料石墨石墨非石墨非石墨天然石墨天然石墨人工石墨人工石墨软碳软碳硬碳硬碳金属氧化物金属氧化物金属间化合物金属间化合物其他其他过渡金属氧化物过渡金属氧化物锡基氧化物锡基氧化物金属氮化物等金属氮化物等锡基、锑基等锡基、锑基等 17锂电池用负极材料碳材料非碳材料石墨非石墨天然石墨人工石墨软碳三、锂离子电池电化学反应机理正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-负极反应：C+xLi+xe-=CLix电池总反应：LiCoO2+C=Li1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。18三、锂离子电池电化学反应机理正极反应：LiCoO2=四、应用领域Li-ion Battery19四、应用领域Li-ion Battery19五、锂离子电池结构l正极活性物质（LiCoO2LiMnO2LiNixCo1-xO2)导电剂、溶剂、粘合剂、基体l负极活性物质（石墨、MCMB)粘合剂、溶剂、基体l隔膜（PP+PE）l电解液（LiPF6+DMCECEMC)l外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）20五、锂离子电池结构正极20锂离子电池的结构组成电芯PTC保护电路板热敏电阻MOSFET保护IC21锂离子电池的结构组成电芯PTC保护电路板热敏电阻MOSFET锂离电电池保护电路原理说明保护ICID电阻电芯热敏电阻MOSFETPTC或FUSE22锂离电电池保护电路原理说明保护ICID电阻电芯热敏电阻MOS保护板l保护板通常包括控制IC、MOS开关。其中控制IC，在一切正常的去年高考下控制MOS开关导通，使电芯与外电路沟通，而当电芯电压或回路电路超过规定值时，它立刻控制MOS开关关断，保护电芯的安全。l功能：过压保护，欠压保护，过流保护。23保护板保护板通常包括控制IC、MOS开关。其中控制IC，在一圆柱形锂离子电池结构图密封圈限流开关隔膜绝缘垫24圆柱形锂离子电池结构图密封圈限流开关隔膜绝缘垫24软包装锂离子电池结构图25软包装锂离子电池结构图25锂离子电池结构正极正极基体：铝箔（约0.020mm厚)正极物质：钴酸锂+碳黑+PVDF正极集流体：铝带（约0.1mm厚）26锂离子电池结构正极正极基体：铝箔（约0.020mm厚)正锂离子电池结构负极负极基体：铜箔（约0.015mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR负极集流体：镍带（约0.07mm厚）27锂离子电池结构负极负极基体：铜箔（约0.015mm厚)负锂离子电池结构隔膜l材质：单层PE（聚乙烯）或者三层复合PP（聚丙烯）+PE+PPl厚度：单层一般为0.0160.020mm三层一般为0.0200.025mm28锂离子电池结构隔膜材质：单层PE（聚乙烯）或者28锂离子电池结构电解液l性质：无色透明液体，具有较强吸湿性。l应用：主要用于可充电锂离子电池的电解液，只能在干燥环境下使用操作（如环境水分小于20ppm的手套箱内）。l规格：溶剂组成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6浓度1mol/ll质量指标：密度（25）g/cm31.230.03水分（卡尔费休法）20ppm游离酸（以HF计）50ppm电导率（25）10.40.5mscm29锂离子电池结构电解液性质：29六、液态锂离子电池生产工艺流程配料卷绕注液检测包装拉浆制片化成激光焊裁片30六、液态锂离子电池生产工艺流程配料卷绕注液检测包装拉浆制片化七、液态锂离子电池性能l常规性能：容量电压内阻l可靠性性能：循环寿命放电平台自放电贮存性能高低温性能l安全性能过充短路针刺跌落湿水低压振动31七、液态锂离子电池性能常规性能：31容量l电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。l电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。l理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。l实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。l额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。32容量电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号mAh与Wh(毫安时与瓦时的概念)lmAh:电池电池容量容量的计量单位，实际就是电的计量单位，实际就是电池中可以释放为外部使用的电子的总数。池中可以释放为外部使用的电子的总数。例：例：1000mAh：以：以1A的电流向外界持续释放的电流向外界持续释放1小时小时lWh:电池电池能量能量的计量单位，电池容量乘以的计量单位，电池容量乘以电池电压即为瓦时。电池电压即为瓦时。例：例：1 Wh=1V*1AhNOKIA:3.7V 1200mAh 的电池所蕴含的能量为：的电池所蕴含的能量为：l3.7V*1.2Ah=4.44 Wh继续换算成热量：继续换算成热量：4.44 Wh*3600=15984 J 这些热量用来烧这些热量用来烧1瓶瓶500ml农夫山泉的话：农夫山泉的话：t =7.6 33mAh与Wh(毫安时与瓦时的概念)mAh:电池容量的计猜一猜：诺基亚：聚合物锂电池3.7V1200mAh哪颗电池能量大？哪颗电池能量大？品胜：镍氢电池1.2V2500mAhWIN34猜一猜：诺基亚：聚合物锂电池哪颗电池能量大？品胜：镍氢电池W电压l开路电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差。l工作电压工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。35电压 开路电压35内阻l电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。l电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。l电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。l欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。36内阻电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为循环寿命l电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命l循环寿命与电池充放电条件有关l锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。37循环寿命电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初放电平台l锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平台l行业标准1C放电平台为70%以上，我们现在可以作到83%-85%l放电平台对手机电池使用效果影响最大，关系到手机通话的声音清晰度38放电平台锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1自放电l电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率l行业标准锂离子电池月自放电率小于12%，我们可以做到6%-8%l电池自放电与电池的放置性能有关，其大小和电池内阻结构和材料性能有关39自放电电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，各种电池的自放电率比较：镍氢电池(Ni-MH)镍镉电池(Ni-Cd)锂离子电池(LiP or LiB)30-35%25-30%10%均为室温下充满电的各电池储存1个月后的自放电率自放电率：自放电率：因为制作电池的原材料不可能是百分之百的纯，总会有杂质混在中间，所以不可避免地存在自放电现象。40各种电池的自放电率比较：镍氢电池(Ni-MH)镍镉电池(Ni记忆效应l记忆效应是针对镍镉电池而言的，由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。l要消除这种效应，有两种方法，一是采用小电流深度放电（如用0.1C放至0V）一是采用大电流充放电（如1C）几次。l镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应41记忆效应41八、锂离子电池质量认证42八、锂离子电池质量认证42参考文献：友情图片赞助商：中国电池在线chinabatteryonlineBYD byd电池网 batterypub43参考文献：Thank You!友情图片赞助商：中国电池在线谢谢谢谢锂离子电池基础知识课件