认识锂离子电池

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,锂离子电池,锂离子电池的基本原理,主要参数指标,锂离子电池的正负极材料,目录,CATALOG,锂离子电池的能量密度,锂离子电池的充放电倍率,锂离子电池的循环寿命,锂离子电池的安全性,锂离子电池,概念,锂离子电池是一种锂离子浓差电池，分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为,“,摇椅式电池,”,，俗称,“,锂电,”,。,电子技术的发展，对高比能量的移动电源需求量加剧。锂离子电池是一种理想的可移动电源，具有体积小、重量轻、放电电压高、比能量大等优点。自从,1990,年,SONY,公司推出世界上第一只锂离子电池，到,2001,年为止，整个市场每年约,4,亿支该类电池用于纯消费类电子产品。便携式摄像机、移动电源、笔记本电脑、无人机等,95%,以上使用锂离子二次电池作为主要电源。,锂离子电池,锂离子电池的优点,1,、高能量密度：,100Wh/Kg,以上，为镍镉电池的三倍，镍氢电池的两倍；,2,、电压高：约为,3.6V,；,3,、容量大：能量高、储存能量密度大；,4,、低温下工作优：在,-2060,的温度范围内工作，低温下的工作优于其它电池；,5,、低维护性：没有记忆效应，无需定期放电，最理想的保存方式，就是在,40%,充 电后冷藏保存，可以保存达,10,年之久；,6,、自放电率低：约为,6%/,月；,7,、长循环寿命（,1000,次，,100%DOD),；,8,、环保：无重金属，无污染。,锂离子电池,锂离子电池的缺点,1,、安全性能问题：需复杂的保护线路，电解液为有机物易起火；,2,、放电倍率低：,1C2C,；,3,、生产环境对水分含量要求较为苛刻；,4,、价格昂贵。,锂离子电池的基本原理,一 基本原理,在每一次充放电循环过程中，锂离子（Li+）充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极负极正极来回的移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷的转移，这就是锂离子电池的基本原理。,由于电解质、隔离膜等都是电子的绝缘体，所以这个循环过程中，并没有电子在正负极之间的来回移动，它们只参与电极的化学反应。,锂离子电池的基本原理,二 锂离子电池的基本构成,1,、正极活性物质：三元材料（我公司选用的正极材料）是当今使用比较广泛的正极材料；,2,、负极活性物质：石墨；,3,、,N-甲基吡咯烷酮,：化学性能稳定和热稳定性好，挥发性低等；,4,、去离子水：我司一般使用负极性配方，成本低廉而且环保；,5,、,PVDF-,聚偏氟乙烯，白色固体，良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性等；,6,、,LA-132,：水性胶的一种，具有良好的抗氧化和抗还原能力；,7,、,Super-P,：即炭黑，导电性好；,8,、铝箔：良好的导电性能和延展性能；,9,、铜箔：我司使用的基材厚度一般为,0.012mm,和,0.009mm,；,10,、隔膜：主要材质是,PP,或,PE,；,11,、电解液：在电池中起到传导锂离子的作用。,锂离子电池的基本原理,三 锂离子电池的制造工艺,锂离子电池的制作工艺根据锯片装配方式的不同，分为卷绕和叠片两种工艺路线。,1,、叠片工艺：是将正极、负极切成小片与隔离膜叠合成小电芯单体，然后将小电芯单体叠放并联起来，组成一个大电芯的制造工艺，其大体工艺流程如下：,锂离子电池的基本原理,三 锂离子电池的制造工艺,2,、卷绕工艺：是将正负极片、隔离膜、正负极耳、保护胶带、终止胶带等物料固定在设备上，设备经过放卷完成电芯制作。,锂离子电池的主要参数指标,1,、容量：使用时有额定容量和实际容量的区别。额定容量是指满充的锂离子电池在实验室条件下（比较理想的温湿度环境），以某一特定的放电倍率（C）放电到截止电压时，所能够提供的总的电量。实际容量一般都不等于额定容量，它与温度、湿度、充放电倍率等直接相关。一般情况下，实际容量比额定容量偏小一些，有时甚至比额定容量小很多，比如北方的冬季，如果在室外使用手机，电池容量会迅速下降。,2,、能量密度，指的是单位体积或单位重量的电池，能够存储和释放的电量，其单位有两种：Wh/kg，Wh/L，分别代表重量比能量和体积比能量。基于当前的锂离子电池技术，能够达到的能量密度水平大约在100200Wh/kg，这一数值还是比较低的，是锂离子电池应用的瓶颈。,3,、充放电倍率：这个指标会影响锂离子电池工作时的连续电流和峰值电流，其单位一般为 C。,4,、电压：有开路电压、工作电压、充电截止电压、放电截止电压等一些参数，电池的开路电压和工作电压，与电池的容量存在一定的对应关系。,5,、寿命：锂离子电池的寿命会随着使用和存储而逐步衰减，并且会有较为明显的表现。,锂离子电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。,锂离子电池的主要参数指标,6,、内阻：指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力，内阻的单位毫欧（m），内阻越小，锂离子电池的寿命和倍率性能就会越好。,7,、自放电：一旦锂离子电池的自放电导致电池过放，其造成的影响通常是不可逆的，即使再充电，电池的可用容量也会有很大损失，寿命会快速衰减。所以长期放置不用的锂离子电池，一定要记得定期充电，避免因为自放电导致过放，性能受到很大影响。,8,、工作温度范围：由于锂离子电池内部化学材料的特性，锂离子电池有一个合理的工作温度范围（常见的数据在-4060之间），如果超出了合理的范围使用，锂离子电池的存储温度也是有严格约束的，长期高温或低温存储，会对锂离子电池的性能造成较大的影响。,锂离子电池的正负极材料,一 正极材料,锂离子电池的能量密度、充放电倍率、安全性等一些关键指标，主要受制于正极材料。,锂离子电池正极材料：钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料等，镍钴锰三元材料逐渐成为市场的主流。,以上仅仅是比较常见的锂离子电池正极材料，并不代表所有的技术路线。实际上，不管是高校和科研院所，还是企业，都在努力研究新型的锂离子电池正极材料，希望把能量密度和寿命等关键指标提升到更高的量级。当然，如果要在2020年达到250Wh/kg，甚至300Wh/kg的能量密度指标，现在商业化应用的正极材料都无法实现，那么正极材料就需要比较大的技术变革，如改变层状结构为尖晶石结构的固溶体类材料，以及有机化合物正极材料等，都是目前比较热门的研究方向。,锂离子电池的正负极材料,二 负极材料,锂离子电池负极材料的种类繁多，根据化学组成可以分为金属类负极材料（包括合金）、无机非金属类负极材料及金属氧化物类负极材料。,就当前的市场而言，在大规模商业化应用方面，负极材料仍然以碳材料为主，石墨类和非石墨类碳材料都有应用。在汽车及电动工具领域，钛酸锂作为负极材料也有一定的应用，主要是具有非常优异的循环寿命、安全性和倍率性能，但是会降低电池的能量密度，因此不是市场主流。其他类型的负极材料，除了SONY在锡合金方面有产品推出，大多仍以科学研究和工程开发为主，市场化应用的比较少。,锂离子电池的能量密度,能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。针对能量密度成为瓶颈的现状，全球各国都制订了相关的电池产业政策目标，期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制定的2020年目标，基本上都指向300Wh/kg这一数值，相当于在当前的基础上提升接近1倍。,提高能量密度努力的方向：,1,、提高正极活性物质的占比。提高锂元素的占比，在同一个电池化学体系中，锂元素的含量上去了（其他条件不变），能量密度也会有相应的提升；,2,、提高负极活性物质的占比。是为了配合正极活性物质的增加，需要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子，存储能量。,3、提高正极材料的比容量（克容量）。在正极活性物质总量一定的情况下，只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌，参与化学反应，才能提升能量密度。所以我们希望可脱嵌的锂离子相对于正极活性物质的质量占比要高，也就是比容量指标要高。,锂离子电池的能量密度,4,、,提高负极材料的比容量,。,以质量更少的负极材料，就可以容纳更多的锂离子，从而达到提升能量密度的目标。,5,、减重瘦身。除了正负极的活性物质之外，电解液、隔离膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体材料等，都是锂离子电池的“死重”，占整个电池重量的比例在40%左右。如果能够减轻这些材料的重量，同时不影响电池的性能，那么同样也可以提升锂离子电池的能量密度。,从以上的分析可以看出，提升锂离子电池的能量密度是一个系统工程，要从改善制造工艺、提升现有材料性能、以及开发新材料和新化学体系这几个方面入手，寻找短期、中期和长期的解决方案。,锂离子电池的充放电倍率,锂离子电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。当然，这个存储和释放的过程是可控的，是安全的，不会显著影响电池的寿命和其他性能指标。,锂离子电池的充放电倍率性能，与锂离子在正负极、电解液、以及他们之间界面处的迁移能力直接相关，一切影响锂离子迁移速度的因素，都会影响锂离子电池的充放电倍率性能。此外，电池内部的散热速率，也是影响倍率性能的一个重要因素，如果散热速率慢，大倍率充放电时所积累的热量无法传递出去，会严重影响锂离子电池的安全性和寿命。,因此，研究和改善锂离子电池的充放电倍率性能，主要从提高锂离子迁移速度和电池内部的散热速率两个方面着手。,锂离子电池的充放电倍率,1.提高正、负极的锂离子扩散能力,锂离子在正/负极活性物质内部的脱嵌和嵌入的速率，也就是锂离子从正/负极活性物质里面跑出来的速度，或者从正/负极表面进入活性物质内部找个位置“安家”的速度到底有多快，这是影响充放电倍率的一个重要因素。,2.提高电解质的离子电导率,锂离子在正/负极材料里面玩的是赛跑，在电解质里面的比赛项目却是游泳。,3.降低电池的内阻,不同材料不同形状的导电剂、正负极的集流体（极耳）、电解质与正负极材料的浸润程度、电解质膜的变化等都会对电池内阻产生影响，进而影响其倍率性能。,锂离子电池的循环寿命,循环寿命的衰减，其实也就是电池当前的实际可用容量，相对于其出厂时的额定容量，不断下降的一种变化趋势。,影响锂离子电池循环寿命的因素有以下几种：,1,、金属锂的沉淀,原因：充电超过截止电压；大倍率充电；负极材料不足。,危害：金属锂的沉积，不但会造成循环寿命的下降，严重时还会导致正负极短路，造成严重的安全问题。,措施：要解决这个问题，就需要合理的正负极材料配比，同时严格限定锂电池的使用条件，避免超过使用极限的情况。当然，从倍率性能着手，也可以局部改善循环寿命。,2,、正极材料分解,在长期的使用过程中，分解产生一些电化学惰性物质（如Co3O4，Mn2O3等）以及一些可燃性气体，破坏了电极间的容量平衡，造成容量的不可逆损失。,危害：影响电池容量，还会造成严重的安全风险。,措施：除了严格限定电池的充电截止电压之外，提高正极材料的化学稳定性和热稳定性，也是降低循环寿命下降速度的可行方法。,锂离子电池的循环寿命,3,、电极表面的,SEI,膜,危害：SEI膜的形成过程会消耗电池中的锂离子，并且SEI膜并不是稳定不变的，SEI膜有一定的厚度，不利于锂离子在负极材料的扩散，这也会造成电池容量的下降。,4,、电解质的影响,原因：电解质中含有活泼氢的物质和铁、钠、铝、镍等金属离子杂质，电解质中含有一定量的水，造成电池循环寿命下降。,措施：选择合适的电解质。,5,、隔离膜阻塞或损坏,原因：隔离膜逐渐干涸失效引起的电池早期性能衰退。,6,、正负极材料脱落,措施：粘结剂的长期稳定性和电池良好的机械性能，能延缓电池循环寿命的下降速度。,7、外部使用因素,锂离子电池有合理的使用条件和范围。但是在实际使用当中，超出允许范围的滥用情况非常普遍，长期的不合理使用，会导致电池内部发生不可逆的化学反应，造成电池机理的破坏，加速电池的老化，造成循环寿命的迅速下降，严重时，还会造成安全事故