锂电池培训讲义.ppt

锂离子电池基础知识,主讲:林老师,1,2,教材大纲,电池定义及分类锂离子电池之特点锂离子电池之结构保护板工作原理锂离子电池之性能指标及质量认证,3,电池定义及种类划分,电池是将化学能转化为电能的装置一次电池（碳性、碱性、锂锰、锂亚硫酰氯）二次电池即可充电电池，产业化的二次电池有：铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池,锂离子电池特点,能量密度高相对电池而言锂电池能量密度高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；体积比能量（Wh/L）=电池容量ah*电压v/电池内腔体积,L质量比能量（Wh/kg）=电池容量ah*电压v/电池重量，kg,锂离子电池特点,电压平台高单体电池的平均电压为3.7V或3.2V，约等于3只镍镉电池或镍氢电池的串联电压，便于组成电池电源组；钴酸锂,锰酸锂电池标称电压3.7V磷酸铁锂电池标称电压3.2V三元材料电池标称电压3.6V,锂离子电池特点,循环寿命好锂电池使用寿命相对较长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池用1C充放，有可以使用2000次的记录；高低温适应性强锂电池高低温适应性强，可以在-20-60的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45环境下使用；,锂离子电池特点,无记忆效应对于锂电池的“激活”问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反复做三次，以便激活电池。这种“前三次充电要充12小时以上”的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别，而且可以非常明确的告诉大家，我所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电。通常，手机说明书上介绍的充电方法，就是适合该手机的标准充电方法。环保性能好绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。,8,应用领域,9,锂离子电池结构,正极活性物质（LiCoO2LiMnO2LiFePO4)导电剂(Super-PKS-6)、溶剂(NMP)、粘合剂(PVDF)、基体(铝箔）负极活性物质（石墨)导电剂(Super-P)、粘合剂（PVDF)、溶剂(NMP)、基体(铜箔）隔膜（PP+PE）电解液（LiPF6+DMC/EC/EMC)保护板,10,正极活性材料,钴酸锂优点：综合电性能最好，克容量高缺点：安全性差、成本高锰酸锂优点：成本低，安全性好，工作电压高缺点：克容量低，循环寿命差，高温性能差磷酸铁锂优点：安全性好，循环寿命最长，理论成本低缺点：加工性能差(比表面积大），电压低，能量密度低（60Wh/kg)，一致性差，低温性能差,11,负极活性材料,人造石墨加工性能好，性能稳定，320-350mAh/g天然石墨克比容量高，340-360mAh/g，导电性差，寿命差,12,隔膜,材质：单层PE（聚乙烯）或者三层复合PP（聚丙烯）+PE+PP,隔膜在锂电池中起着防止正、负极短路的作用，并在锂电池充放电过程中提供锂离子运输通道。简而言之，隔膜就是一层多孔的塑料薄膜。但它直接影响了电池的容量、循环性能以及安全性能。在锂电池的部件中它是技术含量最高的，占锂电池成本的20%30%.而目前我国80%的锂电池隔膜依靠进口。,13,电解液,电解液在锂电池正、负极之间起到传导电子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的。,14,保护板,电池保护板是整个电池正常工作和安全的守护神，一个好的电池PACK必须要有完整的保护功能。电池保护板的主要功能有以下方面：1）过充电保护：2)过放电保护：3)过电流保护：4)短路保护：5）过温度保护：扩展功能：电量计量（显示），数据通讯,元器件简介,保护板通常包括控制IC、MOS开关及辅助器件NTC、ID存储器等。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（数十毫秒）控制MOS开关关断，保护电芯的安全。,五角,六角,1、过充保护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，以防止频繁跳变。,保护线路板的功能实现,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,STOP,4.25-4.35V,3.8-4.1V,此时充电MOS关,2、过放保护当电池电压因放电而降低至设定值VD（2.3-2.5V）时，VD2翻转，以短时间延时后，使Dout变为低电平，T2截止，放电停止，当电池被置于充电时，内部或门被翻转而使T2再次导通为下次放电作好准备。,IC,电量,过放控制,过充控制,+,-,放电,IC,电量,过放控制,过充控制,+,-,放电,IC,电量,过放控制,过充控制,+,-,放电,IC,电量,过放控制,过充控制,+,-,放电,IC,电压,过放控制,过充控制,+,-,放电,STOP,2.5-2.75V,此时放电MOS关,3、过流、短路保护当电路充放回路电流超过设定值或被短路时，短路检测电路动作，使MOS管关断，电流截止。,IC,电流门限,过放控制,过充控制,+,-,充放电,IC,过放控制,过充控制,+,-,充放电,STOP！,电流门限,此时相应MOS关,31,锂离子电池性能项目,电性能：容量电压内阻尺寸倍率特性环境性能：循环寿命自放电荷电保持性能高低温性能安全性能过充短路针刺热冲击跌落振动撞击,32,容量,电池在一定放电条件下所能释放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）。电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。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或材料，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)。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mAh额定容量也叫标称容量，指的是设计容量。,33,内阻,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,包括欧姆内阻和电化学极化内阻和离子迁移内阻等等的总称欧姆内阻主要是指由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，与电池的尺寸、结构、装配等有关电化学极化电阻和离子迁移极化电阻是指电池的正极与负极在进行电化学反应时极化所引起的内阻,34,电压,开路电压电池在正负极不接触任何负载的情况下称为开路电压(又称为空载电压)。电池的开路电压等于电池的正极电势与负极电势之差。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。终止电压指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。,35,循环寿命,电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的80%，此时循环次数即为该电池之循环寿命循环寿命与电池充放电条件有关钴酸锂体系锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），铁锂电池单体可达2000次。,36,倍率特性,倍率是描述充放电电流的概念，例如1000mAh的电池，1倍率（1C）即为1000mA。倍率特性分倍率充电特性及倍率放电特性，通常客户关注的是倍率放电特性普通型电池要求3C以内放电特性稳定；超过3C可称为高倍率电池常用的倍率有0.2C0.5C1C3C5C10C15C20C25C30C50C,37,自放电,锂离子电池有一个特性非常不好，就是锂离子电池的时效(或称老化，老外称为aging)，就是锂离子电池在存储一段时间后，即使不进行循环使用，其部分容量也会永久的丧失，这是因为锂离子电池的正负极材料从一出厂就已经开始了它的衰竭历程。不同的温度和电池充饱状态，其时效后果不同，以下数据摘自参考文献，以容量的百分比形式列出：存储温度-40%充电状态-100%充电状态0度-98%(一年以后)-94%(一年以后)25度-96%(一年以后)-80%(一年以后)40度-85%(一年以后)-65%(一年以后)60度-75%(一年以后)-60%(一年以后)由此可见，存储温度越高和电池充的越饱，其容量损失就越厉害。所以不推荐长期的保存锂离子电池，反之，厂家应该象对待腐烂的食物一样将其回收。用户要密切留意电池的生产日期。,38,荷电保持性能,电池经过充放电测试，记录其容量，放置一段时间。然后满充电再用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即可评估该电池的贮存性能贮存性能分30天、90天、180天、365天容量保持率,高低温性能,高温性能电池充满电后,将电池放入552的高温箱中恒温2h,然后以1C电流放电至终止电压,放电时间不低于51min,该实验结束后,将电池取出在环境温度205的条件下搁置2h,电池外观无变形,无爆裂低温性能电池充满电后,将电池放入-202的