锂离子电池基础知识二.ppt

锂离子电池基础知识 一 常用名词解释 电池的容量 capacity 电池的容量有额定容量与实际容量之分 电池的额定容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 应该放出的最低限度的电量 锂离子电池规定电池在常温 恒流 1C 0 2C 恒压 4 2V 控制的充电条件下充电直到充电电流小于或等于0 05C 再以0 2C 5小时率 放电至2 75V时所放出的电量为其额定容量 容量以C5表示 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 1Ah 1000mAh 如 1Ah是指电池以1 0A的恒定电流放电1小时所放出的容量 如放电10小时就为10Ah 电池的内阻 internalresistance 电池的内阻是指电池在工作时 电流流过电池内部所受到的阻力 内阻大小主要受电池材料 制造工艺 电池结构等因素的影响 电池内阻值大 会导致电池放电工作电压降低 放电时间缩短 不能高倍率放电等现象 因此内阻是衡量电池性能的一个重要参数 电池内阻包含直流电阻和交流电阻 影响电池内阻的因素有 电解质的成分 正负电极片中的成分配方 例如导电碳粉的含量 正负电极片的几何面积以及比表面积 金属基片 铜箔和铝箔 电解液与正负电极片界面状态 温度 充电状态 电池的开路电压 测量频率高低注 电池的内阻需要用专用内阻测试仪测量 而不能用万用表欧姆档测量 充电截止电压 limitedchargevoltage 在充电过程中电池由恒流充电变为恒压充电时的电压值 锂离子电池为4 20V 开路电压 opencircuitvoltage 是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时 电池正负极之间的电位差 一般开路电压小于电池电动势 锂离子电池充满电后开路电压为4 1 4 2V左右 放完电后开路电压为3 6V左右 工作电压 operatevoltage 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流过时电池正负极之间的电势差 在电池放电工作状态下 当电流流过电池内部时 必须克服电池内阻所造成阻力 故工作电压总是低于开路电压 充电时则与之相反 锂离子电池的放电工作电压在3 6V左右 工作电压跟电池的自身化学材料性能有关 不受体积 外形等因素的影响 如 锂离子电池3 6V 镍氢电池1 2V 终止电压 endvoltage 电池在放电过程中电压下降到不宜再继续放电的工作电压为终点电压 锂离子电池放电终点电压一般规定为2 7 2 8V左右 如再继续使电池放电则称之为过放 过放对电池性能会产生破坏性影响 是导致电池零电压及综合性能下降的主要原因 在电池使用过程中 应尽量避免过放 放电倍率 rate 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10Ah 则10A为1C 1倍率 5A则为0 5C 30A为3C 以次类推 如我们通常所说对10Ah电池进行0 2C充电0 5C放电 就是对10Ah电池进行2A 10 0 2 充电 5A 10 0 5 放电 我们的15Ah电池要求20C放电1秒 即15电池电池以300A 15 20 恒定电流放电18秒 自放电率 self dischargerate 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 主要受电池的制造工艺 材料 储存条件影响 自放电率是衡量电池性能的重要参数之一 电池充满点开路搁置后 一定程度的自放电属正常现象 IEC标准规定镍氢及镍镉电池充满后在20 2 条件下开路搁置28天 可允许电池有35 40 的容量损失 锂离子电池一般小10 过充 overcharge 一般认为 充电容量超过电池的额定容量后如继续充电则称之为过充 而锂离子电池任何形式的过充都会导致电池性能受到严重破坏 甚至爆炸 故一般锂离子电池在充电过程中需采用恒流 恒压充电 CC CV 方式 避免对电池产生过充 破坏电池 记忆效应 memoryeffect 锂离子电池基本上无记忆效应 一般认为镉镍电池的记忆效应比较严重 即电池在充电之前必须把之前的电量全部放完 否则 如本来电池可以0 5A放电5小时 如果只放电3小时后就进行充电 那么即使充满 同样电流再次放电只能放3小时 循环寿命 cycle life 电池的循环寿命不是指电池使用到完全不可以再进行充放电时的次数 而是指电池经100 深度放电其容量减至原来容量的70 左右时的充放电循环次数 一般电池的循环寿命在300 500次 化成 formation 电池制造完成后 还不能直接使用 要通过一定的充放电方式将其内部正负极活性物质激活 改善电池的充放电性能及自放电 贮存等综合性能的过程称之为化成 电池经过化成后才能体现其真实性能 重要原材料介绍 制作正极片用原料 锰酸锂 活性物质 导电剂 导电碳黑 正极黏结剂 铝箔 集流体 制作负极片用原料 MCMB 活性物质 导电剂 导电碳黑 石墨 负极黏结剂 铜箔 集流体 N 甲基吡咯烷酮 NMP 无色透明液体 作为溶剂用于正 负极配料 电解液 锂离子电池的电解液是透明无色液体 由锂盐和混合有机溶剂组成 在电池内部担负着传递正负极之间电荷的作用 所以是一些具有高离子导电性的物质 对电解质的要求是 1 稳定性强 因为电解质长期保存在电池内部 所以必须具有稳定的化学性质 使储藏期间电解质与活性物质界面的电化学反应速率小 从而使电池的自放电容量损失减小 2 比电导高 溶液的欧姆压降小 内阻小 使电池的放电特性得以改善 隔膜 隔膜的作用是将电池正 负极隔开 防止两极直接接触短路 隔膜本身是不导电的 但电解质离子可以通过 对隔膜的基本要求是即要在电解液中稳定 又要求有一定的孔径 0 03 0 05mm 和适当的离子导电性 对电解液湿润性好 具有一定的机械强度 厚度尽可能小 降低隔膜纸厚度有利于减少电池内阻 对循环寿命 放电速率有利 但容量较小 有可能出现安全上的问题 重点工序关键控制点 干燥工序工序目的 将电芯制作过程中或者原材料中带入的水分去除控制参数 温度 湿度 风量温度 直接影响干燥效果 理论上温度越高干燥效果越好 但是考虑到电芯部件中的隔膜 塑胶件等耐温情况 通过摸索将温度定至85 湿度 湿度与带走的水分量有关 湿度越小 越容易将水分带走风量 内循环风量影响干燥系统内的温度均匀性外循环风量与湿度一样 与带走水分量有关 外循环风量过小 水分不能充分排出 外循环风量过大 会影响内部气流的循环 对烘箱内温度均匀性不利 注液工序工序目的 再干燥的环境中注液一定量的电解液量 并确保电解液充分浸润控制参数 注液量 露点 抽真空充保护气注液量 注液量至关重要 注液量过少电芯内不能完全浸润 电芯的内阻大 电芯不能正常充放电或者电芯的循环等各项性能较差 电解液过多 电芯存在安全隐患露点 露点偏高 空间中的水分偏多 电解液吸湿 水在电芯内部发生一系列的反应 影响电芯性能抽真空充保护气 主要的目的是提高电解液在电芯内的浸润性 600mA充电后抽真空充保护气工序目的 将充电过程中产生的气体抽出用保护气进行置换 保护气有利于电芯内部固体界面的形成 防止活性物质的进一步消耗控制要点 环境湿度 抽真空程度环境湿度 湿度大容易造成电芯吸湿 影响电芯性能抽真空程度 抽真空不完全使电芯中的气体不能排除干净 影响电芯容量的发挥 抽真空速度不宜太快 否则容易将电解液抽出电芯外 造成电解液的损失 化成工序目的 通过一定的充放电方式将电芯内部的活性物质激活控制点 化成制度 设备监控化成制度 化成制度要合适合宜 不同材料的电芯 化成制度可能不一样 特别使电流与电压的控制 电流过大 会造成电芯极化偏大 电芯容量损失严重 电压过大或者过小将造成电芯过充过放 严重的可能有安全隐患 配组工序目的 尽可能将性能一致的电芯配在一起 以充分发挥每只电芯的性能控制参数 严格按照配组标准和配组指导书进行操作 水对电芯的危害 对于极片制作在极片制作过程中 特别是配料和涂布过程中 水分进入到浆料中 将与黏结剂结合 使之结构发生变化 严重影响浆料中各物质的混合均匀性对于电芯制作主要是电解液吸水后 电解液中的电解质六氟磷酸锂会与水反应 影响电芯性能 电芯测试 20 放电容量电芯标准充电结束后 在环境温度 20 5 条件下 搁置0 5h 然后标准放电 放电容量应不低于产品规格书中的额定容量值 此项试验允许重复3次电池内阻环境温度 20 5 条件下 50 荷电状态的电池在电池电阻测量仪表上以1kHz测试 其内阻应不大于5m 大电流 1C 放电标准充电结束后 电池在 20 5 条件下搁置0 5h 电池以1C恒流放电至终止电压 其放电容量不低于额定容量的95 20 放电容量标准充电结束后 电池在 20 2 条件下贮存16h 然后在同一温度下 以0 2C恒流放电至终止电压 其放电容量不低于额定容量的70 55 放电容量标准充电结束后 电池在 55 2 条件下贮存5h 然后在同一温度下 以0 2C恒流放电至终止电压 其放电容量不低于额定容量的95 荷电保持能力和恢复能力标准充电结束后 在环境温度 20 5 条件下 将电池开路贮存28天 再以0 2C恒流放电至终止电压 其荷电保持容量不低于额定容量的80 充电结束后 在环境温度 20 5 条件下 以0 2C恒流放电至终止电压 其容量恢复能力不低于额定容量的90 此放电测试允许重复3次 贮存试验进行贮存试验的电池应选自生产日期不足3个月的电池 电池在贮存前应恒流恒压方式给电池充入40 50 的容量 然后在环境温度为 20 5 相对湿度45 85 的环境中贮存12个月 贮存期满后 先以0 2C将电池放电至截止电压 0 5h后按标准充电 静置0 5h后 以0 2C恒流放电至终止电压 其放电容量不低于额定容量的80 此放电测试允许重复3次 循环寿命本试验应在环境温度为 20 5 条件下 以0 5C恒流充电 当电池端电压到达充电限制电压时 改为恒压充电 直至充电电流小于或等于0 05C时停止充电 搁置0 5h 以0 5C电流放电至终止电压 搁置0 5h 再进行下一个充放电循环 直至连续两次放电容量低于额定容量的60 结束 其循环寿命应不小于600次 耐振动性电池按标准充电结束后 对电池样品直接安装或通过夹具安装在振动台的台面上进行振动试验 试验条件为振动频率10Hz 55Hz 加速度3g X Y Z每个方向扫频循环次数为10次 扫频速率为每分钟一个倍频程 以0 5C恒流放电至终止电压 其放电容量不低于额定容量的98 试验结束后 电池应不变形 不泄露 不爆炸 不燃烧 安全性要求过充电 标准充电后的电池以3C2A恒流充电 电压充至10V后转为恒压充电 充电总时间为90min 或电池表面温度下降至离最高值10 时停止充电 电池应不爆炸 不燃烧外短路试验 电池标准充电后 在20 5 条件下搁置1h 将电池经外部短路10min 或表面温度下降至离最高值10 时停止短路 外部线路电阻应小于50m 试验过程中 电池应不爆炸 不燃烧 且表面温度应不超过150 针刺试验 电池标准充电结束后 放在一钢制的夹具中 用 3mm 8mm的钢钉从垂直于蓄电池极板的方向迅速贯穿 钢针停留在电池中 直至电池表面温度下降至离最高值10 试验过程中 电池应不爆炸 不燃烧 高温烘烤试验 标准充电后的电池 以 5 2 min升温速率升温至150 在该温度下放置10min 电池应不爆炸 不燃烧挤压试验 将电芯充满电 在20 5 下静置1h后以13kN的力加在电芯侧面的直径为32mm的两活塞上 直到活塞上压强达到17 2MPa 试验过程中 电池应不爆炸 不燃烧撞击试验 将电芯充满电 在20 5 下静置1小时后以直径15 8mm的钢棒平放在电芯上 在距电61cm 2 5cm高的距离 9 1kg重的物体自由落体在钢棒上 试验过程中 电池应不爆炸 不燃烧 注 以上安全试验应在有保护装置的条件下进行