锂离子电池的基本知识

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,*,单击此处编辑母版标题样式,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,*,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,*,MBA教学实习基地,守合同重信用企业,国家高新技术企业,广东高科技产业商会常务理事单位,绿色产业促进会理事单位,锂离子电池的基本知识,Li-ion,是锂电池发展而来。所以在介绍,Li-ion,之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。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。,1.,Li-ion,的基本概念,2,.1,Li-ion,具有以下优点：,1,）,单体电池的工作电压高达,3.6-3.8,V,：,2,）,比能量大，目前能达到的实际比能量为,100-115,Wh/kg,和,240-253,Wh/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,150,Wh/kg,和,400,Wh/L 3,）,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,.,4,）,安全性能好,无公害,无记忆效应,.,作为,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。,5,）,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,（,镍镉）,的,25-30%,，,Ni,-,MH,（,镍氢）,的,30-35%,。,2.,Li-ion,电池的优缺点,2,.,2,Li-ion,具有以下缺点：,1,）,电池成本较高。主要表现在,LiCoO2,（,钴酸锂）,的价格高（,Co,（,钴）,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,0.5,C,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,4.1,V-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。,2.,Li-ion,电池的优缺点,3 镍镉，镍氢，锂离子充电电池的比较,目前镍镉，镍氢，锂离子充电电池大量应用于各种便携式用电设备（如笔记本电脑，摄像机和移动电话等到）中，每种充电电池都具自已独特的化学性质。镍镉和镍氢电池之间主要差别在于：镍氢电池能量密度比较高。与相同型号电池对比，镍氢电池容量是镍镉电池的二倍。这意味着在不为用电设备增加额外重量时，使用镍氢电池能大大地延长设备工作时间。镍氢电池另一优点是；,A,大大减少了处镉电池中存在的：,“,记忆效应,”,问题，从而使得镍氢电池可更方便地使用。镍氢电池比镍镉电池更环保，因为它内部没有有毒重金属元素。,Li-ion,也已经快速成为便携设备的标准电源，,Li-ion,能提供和镍氢电池一样的能量，但在重量方面则可减少大约35%，这对于旬摄像机和笔记本电脑之类的用电设备来说是至关重要的。,Li-ion,完全没有,“,记忆效应,”,和不含有毒物质的优点也是使它成为标准电源的重要因素。,NiCd,、,NiMH,、,Li-ion,各技术参数比较,项目,镍镉电池,镍氢电池,锂离子电池,电压,1.2 1.2 3.6,重量比能量,50 65 105-140,体积比能量,150 200 300,充放电寿命,500 500 1000,自放电率,(%)25-30 30-35 6-9,有无记忆效应,有,无,无,有无污染,有,无,无,二,.,lion,电池的基本参数,2.1,电池的标称,方形,Lion,电池的方法是已电池的三围命名,如：,7548168,厚,7.5,宽,48,长,168,mm,055152,厚,5.0,宽,51,长,52,mm,圆形,Lion,电池方法是,直径,+,高度,+0,（圆形）,如：,18650,直径,18,mm,高度,65,mm,14430,直径,14,mm,高度,43,mm,2.2,电池的容量,电池的容量有额定容量和实际容量之分。电池的额定量是指设计与制造电池时规定或保证电池在一定的放电条件下，应该放出最低限度的电量。,Li-ion,电池在常温、恒流（,1,C,）,恒压（,4.2,V,）,控制的充电条件下充电,3,h,，,电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。容量常见单位有：,mAh,、,Ah=1000mAh,）。,二,.,lion,电池的基本参数,2.3,电池内阻,是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。是衡量电池性能的一个重要参数。,注：一般以充电态内阻为标准。测量电池的内阻需用专用内阻仪测量，而不能用万用表欧姆档测量。,2.4,开路电压,是指电池在非工作状态下即电路无电流流过时，电池正负极之间的电势差。一般情况下，,Li-ion,充满电后开路电压为,4.1-4.2,V,左右，放电后开压为,3.0,V,左右，通过电池的开路电压，可以判断电池的荷电状态。,2.5,工作电压,又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流过时电池正负极之间电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电池，充电时则与之相反。,Li-ion,的放电工作电压在,3.6,V,左右。,二,.,lion,电池的基本参数,2.6,放电平台,放电平台是恒压充到电压为,4.2,V,并且充电电流小于,0.01,C,时停充电，然后搁置,10,分钟，在任何功率的放电电流下放电至,3.6,V,时的放电时间。是衡量电池好坏的重要标准。,2.7,（充放电）倍率,/,时率,是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数据值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母,C,表示。如电池的标称额定容量为,600,mAh,为,1,C,（,1,倍率），,300,mAh,则为,0.5,C,6A(600mAh),为,10,C.,以此类推,.,时率又称小时率,时指电池以一定的电流放完其额定容量所需要的小时数,.,如电池的额定容量为,600,mAh,以,600,mAh,的电流放完其额定容量需,1,小时,故称,600,mAh,的电流为,1,小时率,以此类推,.,二,.,lion,电池的基本参数,2.8,自放电率,又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。主要受电池制造工艺、材料、储存条件等因素影响。是衡量电池性能的重要参数。,注：电池,100%,充电开路搁置后，一定程度的自放电正常现象。在,GB,标准规定,LI-ion,后在,202,条件下开条件下开路搁置,28,天。可允许电池有容量损失。,2.9,内压,指电池的内部气压，是密封电池在充放电过程中产生的气体所致，主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。其产生原因主要是由于电池内部水分及有机溶液分解产生的气体于电池内聚集所致。,高倍率的连续过充，会导致电池温度升高、内压增大，严重时对电池的性能及外观产生破坏性影响，如漏液、鼓底，电池内阻增大，放电时间及循环寿命变短等。,Li-ion,任何形式的过以都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。帮,Li-ion,在充电过程中需采用恒流恒压充电方式，避免对电池产生过充,三,锂离子电池原理及工艺流程,3.1.,结构,3.1.1,正极构造,LiCoO2(,钴酸锂,)+,导电剂,(,乙炔黑,)+,粘合剂,(,PVDF)+,集流体（铝箔）,正极,3.1.2,负极构造,石墨,+,导电剂,(,乙炔黑,)+,增稠剂,(,CMC)+,粘结剂,(,SBR)+,集流体（铜箔）,负极,3.1.3,隔膜,一种特殊的复合膜,3.1.4,有机电解液,常用的为六氟磷酸锂，四氟磷酸锂（,LiPF6,、,LiClO4,）,等。,3.1.5,电池壳（分为钢壳和铝壳两种）,3.2,充电过程,如上图一个电源给电池充电,此时正极上的电子,e,从通过外部电路跑到负极上,正锂离子,Li+,从正极,“,跳进,”,电解液里，,“,爬过,”,隔膜上弯弯曲曲的小洞，,“,游泳,”,到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。,正极上发生的反应为,LiCoO2=,充电,=,Li1-xCoO2+Xli+Xe(,电子,),负极上发生的反应为,6,C+XLi+Xe=LixC6,锂离子电池,锂离子电池的构造,锂电池,电芯,保护板,胶壳,正极材料,负极材料,隔膜纸,电解液,钴酸锂,锰酸锂,三元锂,磷酸铁锂,标称电压,3.7V,3.7V,3.4V,3.2 V,充电电压,4.20.05V,4.20.05V,4.20.05V,3.6500.05V,终止电压,D(NORM),2.75,2.75,2.75,2.75,终止电压,D(MIN),2.5,2.5,2.5,2.0,截止电压,(MAX),4.2,4.2,4.2,4.0(,不推荐）,容量,高,低,高,低,平台,高,高,低,低,充放电流,大,(2C),大,大,超大电流,(10-20C),储存性,好,特差,差,好,自放电,小,大,大,小,膨胀系数,小,大,大,小,价格,贵,低,(1/4),低,(1/3),贵,正极材料比较,工作电压,3.7V,，正极材料钴酸锂。,优点：,容量高，,循环寿命长,可达到,500,次以上,甚至,1000,次,(,与,DOD,有关,),(IEC,标准,500,次，国标,300,次）电池容量,85%,，轻巧，自放电小,（,室温下充满电储存,1,个月后的自放电率为,2%,左右,）,可快速充放电，,（,1C,充电,30,分钟容量可以达到标称容量的,80%,以上,）。,缺点：,电池成本高,，,电池使用主要材料的价格高（如钴酸锂、高纯电解铜、高纯电解液等材料价格昂贵,）是锰酸锂的,10,倍有时可高达,15-20,倍，是三元锂的,1,倍,，生产过程控制要求很高，管理和设备运行成本,高（对环境要求严格，比如温度，湿度，空气）,。钴酸锂的电池不能,长期进行,2C,以上,大电流,充,放电。由于有机电解质体系等原因，故要求较小的放电电流密度，一般,长期,放电电流,最好应控制,在,2C,以下,。,钴酸锂,工作电压,3.7V,正极材料锰酸锂,优点,：,材料,合成性能好、价格便宜,(,与钴酸锂比价格相差达,10,倍以上有时甚至最高达,15,20,倍，,2.6W,26W,20100620,）,缺点,：,容量低,自放电大，平台高，循环寿命差,储存特性差，同体积尺寸容量仅钴酸锂的,50,60%,电化学稳定性,差,一般在,30,个循环时容量衰减达到,20%,以上,储存三个月,容量损耗达到,