锂电电池性能教材-原创

电池基础知识培训 吴明辉 2010.2.26 1、电池简介 2、电池的组成 3、电芯原理与结构 4、电池生产工艺 5、电池测试标准 6、保护板原理 7、电池的开发流程 目 录 电池简介 电池分类 一次电池 干电池 锌锰干电池、碱性锌锰电池 贮备电池 锌银电池 二次电池 可充电电池 铅酸电池 、镍镉电池 、 金属氢化物-镍电池 、锂离子电池 燃料电池 氢氧燃料电池 二次电池对比 Ni-Cd Ni-MH Li-ion Li-ion polymer 能量密度 (Wh/kg) 80 120 160 180 循环寿命 (times) 1500 500 500 1000 额定电压 (V) 1.25 1.25 3.7 3.7 自放电率 (/month) 20% 30% 10% 10% 脉冲放电能力 High moderate Moderate Moderate 环境友好性 No Yes Yes Yes 记忆效应 Yes Small No No 安全性 (滥用试验) High High Low Moderate 电池基本概念 额定容量: 实际容量: 最小容量: 典型容量: 平均容量: 标称电压: 工作电压: 电池基本结构 可充电锂离子电池基本构造 1.电芯 2.保护版 3.连接器（或外壳,导线） 电芯化学体系 钴酸锂-常规 锰酸锂-低成本,低高温存储性能, 三元体系-低成本 高倍率-高成本,低性能 聚合物锂离子电芯 固体聚合物电解质锂离子电池，电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。 凝胶聚合物电解质锂离子电池，即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使。 “软包装”电池。此种电池使用液态电解质，是现在市面上的主流产品。 聚合物电芯的分类 聚合物电芯的结构 锂离子电池 六要素 负极 (石墨) 正极 (LiCoO2) 电解液 (碳酸脂+LiPF6) 隔离膜(PP或PE) 电极引线(镍(铜)、铝) 外包装(软、硬) 聚合物电芯的工艺流程 3. 辊压辊压 2.涂布涂布 1.搅拌搅拌 3. 检查检查 3. 裁切裁切 3. 分切分切 工艺流程示意 - 1 成型成型 包装铝箔分切包装铝箔分切 7.卷绕卷绕 6. 正极制片正极制片 6. 负极制片负极制片 隔离膜分切隔离膜分切 装配入壳装配入壳 工艺流程示意 - 2 13/14. 烘烤烘烤 工艺流程示意 - 3 8/9. 热封热封 10-12. 灌注电解液灌注电解液 容量测试 预充 18 17 16 老化 电压，内阻 测试 15 Electrolyte 圆柱电池工艺简介 Cylindrical battery structure Cylindrical battery structure Gasket Cap PTC Vent Gasket-Ring CID 1. M6C battery structure 1. battery structure Cathode 正极 Separator 隔离膜 Anode 负极 Core cell after winding 卷绕后的裸电芯 Head gasket 头部绝缘垫 Bottom gasket 底部绝缘垫 Cap 盖帽 Can after beading 滚槽后钢壳 Can 钢壳 Cylindrical battery 钢壳电池 Electrolyte 电解液 2. General Process 通用的工艺通用的工艺 电池认证相关标准 一、通用标准 GB/T-18287-2000(蜂窝电话用锂离子电池总规范) UL1642-2004(锂电池UL安全测试标准) UL2054-2004(家用和商用电池UL安全测试标准) UN38.3-2003(联合国锂电池运输试验和标准手册) JIS C8714、IEC62133-2002(JIS C8712)，PSE测试 IEEE1725-2006(蜂窝电话可充电电池IEEE标准) IEEE1625 IEC61960-2003 二、专用标准: 企业标准, 借用标准 测试标准 测试项目 异常充电测试 强制放电测试 高倍率充电 过充电保护测试 过放电保护测试 短路保护测试 持续充电 过充测试 常温短路测试 55短路测试 恒温恒湿 温度循环测试 热冲击测试 挤压测试 撞击测试 冲击测试 振动测试 火焰喷射测试 内部短路 自由跌落 高度模拟测试 GB-18287 UL1642 UN38.3 PSE 判定方法测试数量容许不合格数1.表面清洁，无损伤，无锈蚀；2.必要的产品标识；3.电池与设备匹配，装备后工作正常电池放电时间5h电池放电时间51min电池放电时间51min，无变形，无爆裂。电池放电时间3.5h，无变形，无爆裂。3电池放电时间4.25h3无明显变形、锈蚀、冒烟、爆炸；放电时间36min无明显变形、锈蚀、冒烟、爆炸；电压3.6V无明显变形、锈蚀、冒烟、爆炸；电压3.6V无明显变形、锈蚀、冒烟、爆炸，能放入设备中；放电时间51min不起火、不爆炸、不冒烟、不露液不起火、不爆炸、不冒烟、不露液不起火、不爆炸、不冒烟、不露液；电压3.6V不起火，不爆炸3不起火，不爆炸3不起火，不爆炸3不起火，不爆炸，电池温度15037循环次数300次38电池放电时间4h3243330循环寿命贮存短路过充电环境适应性1C5A放电性能高温性能低温性能荷电保持能力恒定恒湿性能65碰撞4振动安全保护性能电池安全要求重物冲击热冲击短路保护性能自由跌落过充电保护性能过放电保护性能GB-18287-200021外观0.2C5A放电性能判定方法测试数量样品状态容许不合格数1 常温短路测试不起火，不爆炸，电池表面温度不超过150 。 新鲜电池和充放电循环电池各5个满充2 55短路测试 不起火，不爆炸，电池表面温度不超过150 。 新鲜电池和充放电循环电池各5个满充3 异常充电测试 不起火，不爆炸。新鲜电池和充放电循环电池各5个完全放电4 挤压测试不起火，不爆炸。新鲜电池和充放电循环电池各5个满充5 撞击测试不起火，不爆炸。新鲜电池和充放电循环电池各5个满充6 冲击测试不起火，不爆炸，不漏液，不泄气。新鲜电池和充放电循环电池各5个满充7 振动测试不起火，不爆炸，不漏液，不泄气。新鲜电池和充放电循环电池各5个满充8 热冲击测试不起火，不爆炸。新鲜电池和充放电循环电池各5个满充9 高度模拟测试不起火，不爆炸，不漏液，不泄气。新鲜电池和充放电循环电池各5个满充10 温度循环测试不起火，不爆炸，不漏液，不泄气。新鲜电池和充放电循环电池各5个满充11 强制放电测试不起火，不爆炸。新鲜电池和充放电循环电池各5个/12 火焰喷射测试爆炸电池没有任何部分穿透网屏，没有部分或全部电池突出网屏新鲜电池5个满充备注以下所述电池都为二次锂电池:A. 新鲜电池：做完化成还没有使用过的电池。B. 充放电循环电池：在25温度下，按照生产商规格书上的要求进行充放电，当充放电循环次数大于生产商规格书上说明的25%或持续时间达到90天，停止充放电循环。C. 只有用户可更换型电池需进行火焰喷射测试，技师可更换型电池不需进行。D. 只有当电池有串联应用时，才需进行强制放电测试。E. 当电池有串联或并联应用时，需额外增加5套电池(使用最大数目电池)进行短路测试。F. 除非有特别说明，所有测试在20 5 条件下进行。H. UL1642的要求覆盖含Li量5g的技师更换型锂电池，对于含Li大于5g的锂电池，即使能满足本规定，仍需进一步测试和检查以确定是否能够应用。UL1642的要求还覆盖含金属锂4g而每个电芯含金属锂1g的用户更换型锂电池。电池含金属锂量4g或每个电芯金属锂量1g需要求做进一步测试和验证以确定能否实际应用。 ?UL16420UN38.3 判定方法 样品数量 容许不合格数 1 高度模拟 电芯和电池无质量损失、无漏液、无排气、无解体、无开裂、无着火，测试后开路电压不低于测试前的90% 。完全放电的电芯和电池无开路电压要求。 A. 电芯：满充和满放电芯各10pcs B. 电池：满充和满放电池各4pcs;循环50次的满充和满放电池各4pcs 0 2 热冲击 3 振动 4 冲击 5 外部短路 电芯和电池的表面温度不可超过170 C，测试的6小时内无解体、无开裂、无着火。 6 撞击 电芯或组合电芯的表面温度不超过170 C，测试的6小时内无解体，无起火 A.电芯：10个半充电池和循环50次的满放电芯10pcs B.对于可充电电池的组合电芯：10个半充电池和循环50次的满放电芯10pcs 7 过充 测试后的7天内可充电电池无解体，无起火 电池：未循环的满充电池4pcs和循环50次的满充电池4pcs 8 强制放电 测试的7天内一次电芯或可充电电芯无解体，无起火。 电芯：未循环的满放电芯10pcs和循环50次的满放电芯10pcs 备注 A.大电池：在满充电后，所有正极上的锂的含量总计超过500g的电池。 B.大电芯：在满充电后，正极上的锂或锂的等价物的含量超过12g的电芯。 质量损失：当质量的减小超过下表的限制值就称为“有质量损失”。为了量化质量损失，特提供下面方法： 质量损失(%)=(M1M2)/M1*100%;M1 指测试前质量；M2指测试后质量 当质量的减小没有超过下表的限制值，则认为“没有质量损失”: ChargingTestingChargingTesting1Continuous charging 20+/-5455-2Vibration20+/-520+/-5520+/-520+/-553Moulded case stressat high ambient temperature-20+/-570+/-234Temperature cycling20+/-5-520+/-5-54555+/-554520+/-551055+/-551020+/-556Free fall20+/-520+/-5320+/-520+/-537Mechanical Shock (crash hazard)20+/-520+/-5520+/-520+/-5545130+/-25-10130+/-25-45455(10)-10105(10)-10Low pressure20+/-5-3-455-105-455-105-455-105-45455-10105-15Function ofthe overcharge protection-20+/-5116Free fall (mounted in the set)-20+/-520+/-53Forced internal short circuitItemItem58911121314Forced dischargeHigh rate chargingCrushingOverchargeExternal short circuitThermal abuseSingle CellSingle CellBattery (Cell Block)Battery (Cell Block)Temperature (degC)nTemperature (degC)n保护板 原理: 保护板通常包括控制IC、MOS开关。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。 功能: 过压保护,欠压保护,电流保护 保护板机理及功能 保护板典型原理图 保护板简易原理图 1、电压保护能力 过充电保护：保护板必须具有预防电芯电压超过预设值的能力 过放电保护：保护板必须具有预防电芯电压底于预设值的能2 2.电流能力(过流保护电流，短路保护） 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. 保护板参数-1 3、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70m ，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。 保护板参数-2 4、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，通常规定保护板的自耗电流小于10微安. 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. 保护板参数-3 IC 过放控制 过充控制 + - 充电 FUSE 电芯 MOS管 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， VCR小于VC一个定值，以防止电流频繁跳变。 1、过充保护 IC 电 量 过放控制 过充控制 + - 充电 IC 电 量 过放控制 过充控制 + - 充电 IC 电 量 过放控制 过充控制 + - 充电 IC 电 量 过放控制 过充控制 + - 充电 IC 电 量 过放控制 过充控制 + - 充电 4.25-4.30V 3.8-4.1V 2、过放保护 当电池被放电使电压超过设定值VC(.3-3.0V)后，Vss翻转使Dout变为低电平，T2截止，放电停止，当电池电压回落至VCR(2.4-3.0V)时，Dout变为高电平，T2导通,放电继续。 电 量 过放控制 过充控制 - IC + 放电 LOAD 电 量 - 放电 IC + LOAD 电 压 - 放电 2.3-2.5V IC + LOAD 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 IC 过放控制 过充控制 + - 放电 IC 过放控制 过充控制 + - 放电 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，自耗电等保护。 IC 过放控制 过充控制 - n节电芯 + 连接器（外壳,导线） 连接器是和主机配合的部件，通常由客户设计选定 常用品牌有:Molex,JST 导线:UL1571,3302, 连接器构造 特殊案例分析 1.直发器项目 关于报价问题 聚合物样品开发流程 销售人员基本技能自我评估表 问题与讨论 规格书申请问题 规格书确认与样品,量产定单评审问题 没有保护板的Pack开发问题 PN管理问题 谢 谢!