《锂动力电池简述》PPT课件.ppt

锂动力电池简述 制作人 刘志民日期 2011 2 14 电池定义及分类 定义 1 原电池 将化学能转换成电能的装置2 电解池 在外加电源作用下 将电能转换成化学能的装置 电池的分类 二次电池的种类介绍 从二次电池的发展与应用来讲 锂离子电池将取代传统的铅酸电池和镍氢电池成为新一代电池 二次电池的种类 a 铅酸电池e 太阳能电池 硅型 b 镍铬 氢电池f 金属空气电池c 锂离子电池 铝空气 锌空气电池 d 燃料电池 二次电池特性比较 锂离子电池的认识 锂离子电池的由来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 锂电池的正极材料是碳材或是氧化锰 负极材料是金属锂 按照大家习惯上的命名规律 我们称这种电池为锂电池 Li ion的正极材料是氧化锂钴或是LFP等 负极材料是碳材 电池通过正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程 所以人们称之为Li ion 锂离子电池的认识 锂离子电池的组成外形 圆柱形 方形 角形等 架构 正极 负极 隔膜 电解液 原理 锂离子电池实质上是一种锂离子浓度差电池 在充电过程中Li 从正极经过隔膜嵌入负极 C6 电子则从外电路补偿到负极 负极电位从而保持平衡 放电时正好相反 锂离子电池的认识 CellBarCode的识别例如 型号为BAKH18650CB的电池BarCode分为两个部分即Partone H18650CBVB0A07B000001Parttwo BAKA13 Partone组成为 电池型号 电芯批号 电芯顺序码 这里着重解释一下电芯批号 电芯批号组成为 LLNLNNL N代表数字 L代表字母 具体表示如下 锂离子电池的认识 产品代码 排产年份例如 0代表20101代表2011 排产月份例如 A代表1月B代表2月 L代表12月 排产日期例如 07代表7日 圆柱线别例如 A代表生产线别A B代表线别B 锂离子电池的认识 PartTwo 公司代码 等级码例如 BAK A13CellDateCode识别例如型号为SDI186502 2Ah的电池喷码除了标有型号ICR18650 厂商SDI 容量22F 还标有1A42 其中1为Cell的容量代码 A42为datecode 分别为cell生产的年份 月份 周别 锂离子电池的认识 锂离子电池参数开路电压 即电池在非工作状态下正 负极的电势差 内阻 电池在工作时电流流过电池内部所受到的阻力 容量 分为额定容量和实际容量 电池的额定容量是指电池在环境温度为20 5 条件下 以5h率放电至终止电压时所应提供的电量 用C5表示 锂离子电池的认识 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 影响电池容量的因素主要有两个方面 一是活性物质的重量 二是活性物质的利用率 电池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剂分解产生的气体于电池内聚集所致 锂离子电池的认识 不同正极材料的锂离子电池特性比较 锂动力电池简介 动力电池的正 负极材料正极材料 磷酸铁锂 磷酸钒锂锰酸锂等磷酸亚铁锰锂等负极材料 石墨 焦炭硅钛酸锂 锂动力电池简介 锂动力电池关键特性日本政府对汽车动力锂电池的要求如下 2015年以前性能提高到现在的1 5倍成本降低到现在的1 72030年以前性能提高到现在的7倍成本降低到现在的1 40 锂动力电池简介 关键性能突破安全性LiFePO4 改进安全阀能量密度Si负极材料 高强度隔膜 聚合物包装 提高1 5倍有可能实现使用寿命目前是2000次 提高1 5倍到3000次有可能实现 从PACK角度看锂动力电池参数 在电池组装成PACK时要考虑的参数有 客户给出的PACK规格Cell的开路电压Cell的容量Cell的内阻 从PACK角度看锂动力电池参数 Cell的开路电压一致性1 前面已经提到过Cell的开路电压即为电池内部无电流通过时电池两端的电势差 2 在串联电池组中开路电压的一致性对电池组的安全性有至关重要的影响 即容易产生过压充电和欠压放电的问题 电压差异越大 安全问题越严重 从PACK角度看锂动力电池参数 Cell容量的一致性1 这里所说的容量指的是电池的实际容量 2 在串联或者混联电池组中容量的不一致也是严重的安全隐患 从PACK角度看锂动力电池参数 Cell内阻一致性1 Cell内阻分为极化内阻和欧姆内阻 2 串联电池组中Cell内阻不一致会引起安全问题 内阻差异越大 安全问题越严重 从PACK角度看锂动力电池参数 客户给定PACK参数1 客户给定PACK参数通常有PACK的尺寸 额定电压 额定功率 额定容量等 我们会计算出PACK所需的空间 电芯间隙 最大放电电流 最大脉冲放电电流等从而选取适合的电芯 2 额定电压是指电池的标准工作电压平台 额定容量在前面已经说过其定义 从PACK角度看锂动力电池参数 上述参数的具体含义 算法及影响因素 电池的开路电压开路电压含义开路电压算法 用万用表可以直接量测 影响因素 正 负极材料 容量 温度电池的容量电池容量定义实际容量的算法 RSOC 标称容量的算法 现在大多用A H法 当然还有开路电压法 负载电压法 内阻法 卡尔曼滤波法等等 从PACK角度看锂动力电池参数 c 容量的影响因素正 负极材料特性和制作工艺 活性物质的量 充放电倍率 放电电流越大 放出电量越小 温度 参考公式 C C25 1 25 T 自放电 自放电来自电池内部化学反应 实际参数要根据供应商提供的曲线或者数据 老化 是指电池容量随循环次数的增加而衰减的现象 这里在估算RSOC时可以将老化特性反映在其中 但是确定其循环工作次数是难点 从PACK角度看锂动力电池参数 电池的放电平台 标称电压放电平台定义 放电平台是指在电池任何倍率的电流下恒压充到电压为4 2V 并且充电电流小于0 01C时停止充电即充满电后 然后搁置10分钟 在任何倍率的放电电流下放电至3 6V时的放电时间 3 6V即为标称电压 电压平台的影响因素1 和体系有关 正负极的电势差大 则平台高 反之则低 从PACK角度看锂动力电池参数 2 和电池的内阻有关 内阻越大 平台越低 3 和放电电流的大小有关 电流越大 平台越低 4 平台的长短和放电电流的大小有关 电流越大 平台越短 5 和循环次数有关 随循环次数的增多 电池性能下降 平台电压下降 长度变短 从PACK角度看锂动力电池参数 电池的内阻电池内阻的定义 电池在充放电过程中电流流过电池内部所受到的阻力 电池内阻分类 从测试方法上看 电池内阻可以分为交流内阻和直流内阻 从内阻组成上来看分为欧姆阻抗及极化阻抗 从PACK的角度看动力锂电测试 在电池组成PACK时要做的 安全 测试项目1 充电过压保护测试2 放电过流保护测试3 充电过流保护测试4 欠压保护测试5 过温保护测试等 从PACK的角度看动力锂电测试 锂动力电池所需做的 安全 测试项目1 过充 过放测试2 加热测试3 高温荷电保持能力测试4 循环寿命测试5 针刺6 滥用测试等 锂电池正极极材料 电池正极材料特性分析衡量正极材料安全性主要指标1 充电时形成枝晶的难易度钴酸锂极易形成 三元材料也易形成 锰酸锂不会形成 这与锰酸锂的尖晶石结构是分不开的 Li 过度脱嵌也只是粒子晶型的改变 2 氧化 还原温度氧化还原温度是指材料在氧化还原反应放热的温度 是衡量材料氧化能力的重要指标 温度越 锂电池正极极材料 高 表明其氧化能力越弱 氧化温度最高的为磷酸铁锂 大于400 其次为锰酸锂 250 三元材料 180 钴酸锂 150 即前者更适合做动力电池的正极材料 正极材料的合成方法高温固相法 共沉淀法 喷雾干燥法 复合碳酸盐法等等 三种动力电池正极材料的合成中 钒酸锂的制作工艺条件最复杂 工业化难度较大 锂电池正极极材料 电极材料市场报价正极材料 长江有色金属钴30 31万 吨钴酸锂23 5 24 5万 吨锰酸锂3 8 4 8万 吨三元材料16 5万 17 5万 吨磷酸铁锂11万 16万 吨不等 负极材料 低端人造石墨4K 4万 吨 中高端人造石墨6 12万 吨 低端天然石墨2 4万 吨 中高端天然石墨6 10万 吨 锂电池的制作工艺 配料极片制作正极极片 活性物质 导电剂 PVDF 铝基片负极极片 石墨干粉 去离子水 CMC胶液 SBR胶 PVDF 铜片装配 隔膜为聚合物 注液 电解液为无水有机体 具有一定的还原性 预充 化成 分容 锂电池的制作工艺 分容定义 电池在制造过程中 因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致 通过一定的充放电制度检测 并将电池按容量分类的过程称为分容 化成定义 组装后的电池 被给予一定的电流 使得电池正负极活性物质被激发 最后使电池具有放电能力的电化学过程称为化成必要性 电池只有经过化成后才能够用来作为电源使用 所以需要化成 是对活性物质的激活 锂电池的制作工艺 SEI膜简介定义 在液态锂离子电池首次充放电过程中 电极材料与电解液在固液相界面上发生反应 形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层 这种钝化层是一种界面层 具有固体电解质的特征 是电子绝缘体却是Li 的优良导体 Li 可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出 因此这层钝化膜被称为 固体电解质界面膜 solidelectrolyteinterface 简称SEI膜 锂电池的制作工艺 SEI膜的成膜机理 锂离子电池一般用碳材料 主要是石墨 作负极 在SEI膜形成的过程中 负极表面所发生的反应与金属锂负极相类似 Aurbach等认为可能的反应是由EC DMC 痕量水分及HF等与Li 反应形成 CH2OCO2Li 2 LiCH2CH2OCO2Li CH3OCO2Li LiOH Li2CO3 LiF等覆盖在负极表面构成SEI膜 同时产生乙烯 氢气 一氧化碳等气体 制作方法 干法 湿法 锂电池的制作工艺 SEI膜的影响因素 SEI膜作为电极材料与电解液在电池充放电过程中的反应产物 它的组成 结构 致密性与稳定性主要是由电极和电解液的性质决定 同时也受到温度 循环次数以及充放电电流密度的影响 SEI膜的作用 由于锂离子的嵌入过程必然经由覆盖在碳负极上的SEI膜 因此SEI膜的特性决定了嵌脱锂以及碳负极电解液界面稳定的动力学 也就决定了整个电池的性能 如循环寿命 自放电 额定速率以及电池的低温性能等 锂电池的制作工艺 SEI膜的具体成份 Li2SO3 锂电池的制作工艺 电池隔膜组成 PE与PP的复合膜作用 电池隔膜最主要的功能是电子绝缘离子导通 即阻止正负电极在电池中的直接的电子接触 但是离子可以自由通过 参数 厚度 透气率 浸润度 化学稳定性 孔径 穿刺强度 热稳定性 热关闭温度 孔隙率 锂电池的制作工艺 市场情况目前隔膜供应商有 美国的Celgard 三层 Entek 单层 荷兰的DSM 单层 日本的Asahi Tonen 单层 UBE 三层 此外国内做的比较好的有杉杉股份 BYD 但是比起国外还是有一定差距 中国锂电池发展现状 锂电池的市场格局 09 在较长一段时间里 世界锂离子电池市场基本是日本一家独霸的局面 最近几年中国和韩国奋起直追 目前世界锂离子电池市场已经呈现出中 日 韩三足鼎立的格局 见图表一 中国锂电池发展现状 图表一 2009年世界锂离子电池市场地区格局 中国锂电池发展现状 全球锂离子电池市场生产厂商格局 09 根据2009年的最新统计数据预估 全球锂电池芯销售量约达30 5亿颗 主要由日本的Sony Sanyo Panansonic Maxell SGS NEC及ATL 被TDK购併 韩国的SDI 三星 及LGC 乐金化学 大陆的BYD 比亚迪 BAK 比克 及Lishen 力神 台湾的E One 能元 及美国的A123所生产 2007年到2009年销售量统计如表二 中国锂电池发展现状 表2世界锂离子电池市场生产厂商格局 中国锂电池发展现状 国内知名动力电池厂商BYD ATL 日资 ATL Lishen BAK Coslight 中航锂电 环宇 盟固利 北大先行科技等 附录一 Cell的架构图X Ray 角形Cell的架构图 Cell的充放电模型 温