锂离子电池基础知识.doc

目录：6 y) R0 Z1 A0 E. l9 xD一、电池基础 + u& M+ E D0 h二、锂离子电池基础 1 y0 q) v$ O4 V ; o* j 三、锂电池的安全 3 u$ ) m5 Y7 四、保护板BMS具体功能介绍2 p2 Y+ B# F3 t, 五、锂离子电池的储藏和运输8 w* n* k9 h1 vy9 U. Y# + k& I9 0 l一、电池基础7 p$ w/ V; b. EL5 I1、电池的发展简史：, r; x7 c4 G3 E9 H. C公元前100公元100年 电池原形/ 2 j, ja- T$ u8 # p: y6 O# k17801791发明伽尼尔电池1 4 y% s5 e4 XR* a, W/ C( p1800年伏特发明电池( p7 T. U4 s/ ( h8 r) j1833年发现法拉第法则, g# Y# Q) p8 g, Y* U4 6 L8 P) q6 w1836年发明丹尼尔电池3 . T2 n; + p; Q3 J# T7 Q4 - D. y1859年发明铅酸电池j $ G9 ?4 N/ T1868年发明干电池4 ; # h3 j* F) v$ J/ I3 o1899年发明Ni-Cd蓄电池 & c/ 7 V7 M. $ u. z1901年发明Ni/Fe电池 j7 n/ A$ O, R1 z% W0 1951年发明密封Ni-Cd电池8 L* u2 0 g2 F1 u5 H( h2 q1990年发明锂离子电池- o7 v* 0 a( I* s5 D c1995年发明聚合物电解质锂离子电池; o/ |& K+ o! n! i2 r( Y$ YR6 t( f1 g5 J& w2、电池的要素和组成：* u( C1 Z: X. E Y电极, r+ N0 D ) U; X& k8 v 负极：通常将电池电极中电压较低的一极称为负极) s! # y% o$ F- f7 d. b1 m 正极：通常将电池电极中电压较高的一极称为正极& uS/ c: V7 G9 I隔膜：在电池中，防止正负极间电子导通，而又能让离子通过（离子传导）的隔离材料，一般为多孔薄膜材: e I+ h; z# d料 E3 k( Z3 V& sG, r电解质溶液（电液）：在电池内正负极间提供离子传输作用9 L2 s1 a( B* H3 % Y2 Y, z; Q其他构件：如外壳，极柱，密封件等$ B3 3 W9 f+ ) Y! X+ m8 r7 4 p$ m3、电池的分类 I8 D3 C7 I9 P2 u* R* H! G$ P# O) d; O! GC8 c- ; 一次电池（干电池）+ T- $ U: H$ Q# W$ o( c* F( G! g二次电池（充电电池或蓄电池）, z# Y9 G6 ?3 Y5 K$ t2 r铅酸电池0 F. M: N* * _2 Z2 c K镍镉电池, E7 u/ m0 X. 5 j# k- 镍氢电池 g. z: |; U9 W+ h B锂离子电池2 k# p* s B4 G( k: w 液态锂离子电池6 2 ; + O6 m7 F 聚合物态锂离子电池7 % E5 m, t0 o# k$ v0 P7 j. V3 ! I另外还有燃料电池、太阳能电池等等3 B9 $ & / i7 p w R4 & m 7 U2 h- V4、常见可充电电池性能比较：v3 k. x. Wc B h$ X& y# Hd# e; I1 7 s+ P/ g 组成 电池 能量密度 # Y: R0 D/ 9 F1 X8 Z电池体系 负极电解液 正极 环保性能 电压（V）Wh/kg Wh/L 充电循环 自放电率$ o& QH8 w, ! L7 $ 锂离子电池 碳 LiPF6 LiMn2O4或绿色环保 3.6 130-150 350-400 1000 8%9 J7 B8 ?4 A% K# H. H |; 5 LiCoO2u6 m: p. Z1 _; s. F, a/ T铅酸电池 Pb H2SO4 PbO2 铅污染严重 2.0 30-5050-80 300-500 20%4 U9 x x$ K2 K a% E* L2 M镍镉电池 Cd KOH NiOOH 镉污染严重 1.2 50-60130-150 400-600 25%3 g, q1 d& U! a/ |: # o镍氢电池 储氢 KOH NiOOH 环保 1.2 60-70190-200 500 10% ) F* t* C( t* Z! d; G5 3 i3 + R+ 材料 ) k3 eX6 g6 P( n- b- U/ d5 j6 二、锂离子电池基础 W+ B) W1 |% J1 u h* Y w) U/ E9 0 s; o0 w. o8 f1、锂离子电池的“前世今生” ：/ z+ b7 n6 t$ H5 x6 V# V/ V S0 |( x锂离子电池是20世纪90年代开发成功的新型高能电池。+ j ?4 F7 m3 v# x! 1 L( m& Y; H h+ K x& 0 Z锂离子电池的“前世”：早期负极为金属锂的“锂电池”，但金属锂的化学活性太大， 充电时产生的枝晶 d6 7 ?: # # b& d& 0 N会使电池短路，目前尚未真正解决其安全问题。) Z$ t1 L( q! P7 9 E0 ( P: R9 r U8 ( 锂离子电池的“今生”：锂离子电池名称开始于日本企业，针对含金属锂负极的锂二次电池 而言，1991年3 g& d; u6 I- 3 G由索尼公司率先实现商业化。采用可嵌锂碳材料为负极，正极采用含锂的 过渡金属氧化物，利用溶有锂盐, Z5 Y& E7 K6 q5 ?0 gz2 _非水溶剂作为电介质。$ w# X) j1 z8 O5 . ?) H3 z* p2 ! % pe+ Z2、图! J1 U7 k, _s8 H, s. X2 y# D, j4 H/ p/ o3、锂离子电池基本结构：4 D0 y4 h* Z3 d( f% u/ l: r u) c* P3 G, E8 h/ B# f极柱/极耳安全阀负极隔膜正极外壳（钢壳或铝塑膜）0 i* j$ 6 M4 ! O8 i: T4 w8 w( u5 u+ K4、锂离子电池的优点和缺点：& l) K# N6 L/ Z9 N3 P% _X2 x6 & 0 3 M8 C; G( r锂离子电池重量轻、体积小，寿命长，没有记忆效应，具备良好的温度特性，同时由于没有重金属污染、没有 s& I0 y p4 $ s) Vg# j毒性物质，是新一代环保型绿色电池。被业界称之为“终极电池”+ v* m5 I! |7 t7 L P( r6 Jj! y1 g+ A. 1 a 锂离子 铅酸 镍镉 镍氢4 o3 b! s) z+ z! _: O$ l/ G& J/ S重量 5 1 1 3/ U+ & t* Z. G0 _2 z. m b* g寿命 5 2 3 42 q/ 5 T; d& U2 X7 环保 5 2 1 5$ c7 v) k9 L/ c9 P记忆 5 3 1 37 i: t% O; E% 3 , i. ?+ V温度特性 5 2 3 3# t/ m3 + v+ A0 o% 8 h$ y Q2 T0 6 m* H+ T$ l$ ; G! K缺点：锂离子电池价格相对昂贵，发展时间短，制造工艺的成熟性不如铅酸，镍镉及镍氢电池，但随时间的推 B0 l. 5 s: V3 m2 S j移，锂离子电池的制造工艺会越来越成熟，价格也会逐渐降低。% m( h- b, L9 T# Y# t% % z! k- o0 Y n5、液态锂离子电池与聚合物锂离子电池的异同：5 : k8 ; S0 ; n0 _c, a g, w# t0 Y+ U + x相同点：正负极活性物质相同% r3 e4 _* I& L q8 u: f 电池工作原理相同/ F+ H b2 |! w2 Q/ w. _# J 单体电池工作电压相同( p5 E) ( d* i: j, N7 V7 B! C# g5 t$ M/ H8 I& l不同点：液态锂离子电池的电解液是液态的有机电解液，聚合物锂离子电池的电解质是将液态的有机电解液, q( Y0 9 |# D! b吸附在一种聚合物基质上，所以被称为凝胶聚合物电解质。: D- p7 j w7 xZ8 ! i2 g* v- h) o6 K: u. m% Z, _优缺点比较：液态锂离子电池的功率较聚合物锂离子电池大的多，反映在电动自行车上，液态比聚合物有更% : f+ l( z4 K: T8 q, R$ v强的爬坡能力；液态锂离子电池的价格较聚合物锂离子电池便宜。聚合物锂离子电池由于不存在游离的电解液 y5 / w9 2 C) V# q8 J8 G，不存在漏液的情况。1 w; 6 o+ w- O1 . L+ b1 J9 vz0 5 Z- G6、液态软包装、凝胶聚合物和液态锂离子电池的安全性：. P; s0 j1 ?6 U/ E, O% b k, ; u* Z* 1 t& O% E目前市场上大量出现的是液态软包装电池，液态软包装电池内部电化学体系和金属壳包装电池一样。# O6 x: q4 Sq0 ! b6 p1 f% C% O7 p# ?8 o优缺点比较：采用液体电解液，因此在大电流放电等性能上也不错。由于采用软包装，包装较易损坏，在一6 I: M# h4 m9 Q5 B% Y: w些振动频繁的应用领域，如电动自行车等，需要谨慎。# E. A) u4 t! - M) d! Y5 r! ( d4 E8 f4 j a/ P( u. | 金属壳液态 液态软包装 凝胶型4 , G1 dQ9 q1 o( c7 R电解液 液态 液态 凝胶态8 e pk+ Y9 H. F0 j/ T i. t) o4 d包装 金属 铝塑膜 铝塑膜! G7 O( o9 M% E+ a& S放电能力 很好 很好 差; G7 B2 ?4 y5 K3 v J0 9 : L, R% n% x# de. j6 oJ安全性：锂离子电池的安全性需要从正极材料入手，光靠更换软包装无法从根本上解决。软包装的电池如果爆8 l) Y S2 S& W8 o4 9 bY炸，不存在金属物射出物，然仍无法解决燃烧等危险。从电极材料和电解液入手，才是解决锂离子电池安全性7 _8 Z0 * J( T的根本途径。7 - C) q$ d# h( w# P6 M+ A3 O7 nT5 k i X) a: + B2 d7、电池的一致性问题：3 m M$ g4 I 2 7 Q$ e) M! A( Z6 n0 T( H- # * M单体电池不存在一致性问题，一致性问题主要集中在电池组中，影响电池组一致性的主要因素是电池的自放电6 n8 S: q% % A* d2 N1 H、内阻、电池中电池的数量、有无均衡线路等。同样容量和电压的电池组，锂离子电池数量越少，对一致性要& ?( A& L1 TQ7 + d求越低。/ k. z- h9 M5 _ch* a+ s7 p0 v+ c% _. G7 t8、镍氢（Ni/MH）电池的简介： q& R9 9 g- m4 h8 c# h4 w- J1 h9 M N镍氢电池的工作电压为1.2V，无铅酸，镉镍电池的重金属污染问题，也属于绿色环保型电池，但与锂离子电池# F, Y! & Q- T2 k6 q3 L相比，镍氢电池的工作电压只有锂离子电池的1/3，同样一个电池镍氢电池需要的单体电池的数量是锂离子电! Y k# e. P7 5 r5 ! f池的3倍，重量是锂离子电池的2倍左右，循环寿命也比锂离子电池短。另外镍氢电池充电过程中发热严重，无8 7 o; v0 j0 p% ( i法长期在高温调节下使用。低温性能不如锂离子电池，高倍率放电性能不如镉镍电池和锂离子电池，而价格与. Q* z, D5 m8 n. 锂离子电池相差无几。所以镍氢电池虽然发展时间较长，但其发展的速度和潜力已远远落后于锂离子电池。* 2 j4 t% h8 z( uJ8 e- R9、几种锂离子电池正极材料的综合比较4 J5 z9 4 7 w8 P4 _2 U# e; 2 u4 H8 O! 钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂 镍钴锰酸锂/3元G- j% 3 i( d9 N# t耐过充 - L$ C2 U& b5 c+ F : v A9 ) k4 A2 N2 _. U氧化性 很强 一般 弱 强8 c8 x% t3 q+ / cu% t0 V Q: c3 4 . M! % 过充极限 0.5C/6V3C/10V 3C/10V 0.5C/6V5 # o/ f- Q! D: J7 b5 ! I+ ( V. 安全性 很不安全 安全性能好 安全性能好 不安全3 U: ; 1 w; g5 w/ q0 r6 0 s6 r( N7 ( k2 L+ h安全容量 1Ah 1030Ah 可达100Ah /8 $ |( ov+ kD* S- C# F 7 j4 s% 6 T0 P C/ I大功率能力 好 很好 很好 /( z1 q% _! y! A: / ( n a* q5 c: i0 h1 o% + _/ E价格 昂贵 低廉 低廉 一般3 ) K( b- V& s, f- v8 ; z% U( # w三、锂电池的安全: S- _( LG, P2 y8 z1 w# h, V8 0 g) G+ d7 - D5 Z单体电池的安全测试项目及测试方法: V2 q9 Q/ U1 , E( A2 Q X( t测试项目 测试条件 测试要求 电池数目 测试标准- T# 3 X5 E! X5 e$ Z7 撞击 平面9.1KG重物，0.61m高度， 3个) p6 w. 7 e. c+ d: i 侧面直 径15.8mm 的 钢棒。 不起火，不爆炸 3个 UL1 I* l+ g7 O; F# 8 Z % mY1 e- L9 ) j4 e挤压 平面 挤压力 13KN 不起火，不爆炸 3个 UL% v+ rS$ X8 y U/ F 侧面 3个 3 _$ y2 y6 Q9 F- 高温 150，10min* n; x! t; D) V: H! Q% | （温升5 /min) 不起火，不爆炸 5个 UL5 W8 c6 , c& c1 X2 _ q* Q( K3 U& P+ um过充 30A,10V 不起火，不爆炸 5个 UL+ B. ?8 y- EG( O% S M短路 电阻小于100m 不起火，不爆炸 5个 UL$ & v ! # T( P9 针刺 5mm的钢钉从垂直于极板的0 4 G4 E# G- Y( K* U% 方向贯穿（钢针停留在电池中）不起火，不爆炸 5个 企标 $ Q 0 c6 + f0 D$ F P+ |! Q) d$ ; ) L* g, u Y$ k四、保护板BMS具体功能介绍- N6 0 Z0 P: C+ r; z% Y C& k+ j4 . E% i% V# e- G5 m7 R. I; s& F4 e保护板BMS（Battery Management System）有5大功能： O# c. k; 4 s% J# I5 Q$ n F; I b) p1、过充（过压）保护1 M- l1 _3 4 f4 B k G 因为锂电池是很“脆弱”的电池，所以不能造成过充。锰酸锂是在4.2v保护，磷酸铁锂是在3.6v左右（具4 a8 N$ j+ : x; V5 X! 9 体可参考供应商规格书）；, I3 m/ H. 3 r, d1 t; q, d H; d, 1 X 造成过充时，一般保护板会有恢复功能。比如一块锰酸锂电池保护板设置的过充保护是4.25v，当过充时，+ |! Q0 O6 Xy0 n3 b, O保护板保护，停止充电，当电压降至4.15v时，才能恢复充电动作。4 ) F1 F8 U# v9 1 E/ C7 3 2 y: * U; a% v E2、过放（欠压）保护2 2 E. s1 x/ g r4 b. j6 J; ?9 3 V3 |+ M& L4 h, e 因为锂电池是很“脆弱”的电池，所以不能造成过放。锰酸锂是在2.7v或3.0v保护，磷酸铁锂是在2.3v左& n7 P1 R) ?/ h1 . 2 b右（具体可参考供应商规格书）；7 J1 & J) J& G o# O0 E6 i; b+ Q% a E Z8 0 n: Y5 W 造成过放时，一般保护板会有恢复功能。比如一块锰酸锂电池保护板设置的过放保护是3.0v，当过放时，. X) Y/ N1 Z2 1 k. n$ G5 B, J保护板保护，停止放电，当电压升至3.1v时，才能恢复放电动作。) - g0 C9 hH# f3 * ?7 r6 g e9 W: v7 I- C A) Y3、过流保护/ hb- L$ S4 P* W# k9 + 0 Ql! m; X; z9 N2 G: o2 G8 X) R9 V4 X 当放电电流或者瞬间放电电流超过电池本身所能承受的电流时，BMS会停止放电动作。: f, , f2 d5 Z, y: ( ) A P1 P. P% c R& E. J 一般恢复过流保护有2个办法。一是断开负载，重新连接电池与负载；一是更换烧坏掉的保险丝。具体看每: |$ A2 X# b6 ( Z4 x H- p2 S个厂家的产品是如何设置。* 8 h g u y4 v: w H ! ?2 g5 _: b& t4 J& g1 f6 k7 L 一般BMS会设置一个例如 30A/8ms（30安培 8毫秒）的峰值电流保护参数。就是说：当电流大于30A并且时1 U% R/ q- N5 T( H+ q间大于8ms时，过流保护会动作。假如是50A3ms，那么过流保护不会动作，$ s0 v8 t/ 0 R: 3 |0 c 8 c# J5 V4 ! - n) X/ 7 c 这对带电机类的负载是非常适合的，因为一些负载在起动时会有一个非常大的脉冲/峰值电流，只要这个电0 O7 F8 Q7 B( x+ l- L& p$ k. z流能过去，正常工作就不是问题了。所以有时候电池带电机类负载会不工作，很大一个原因是因为BMS上的脉9 D6 I9 e) e O4 P3 f冲/峰值电流给挡掉了，而不是电池出了问题。6 m Y! i. j1 c* p U0 I& , ?7 B. k) z+ J% W9 （测量这个电流需要示波器，很多业务不好展开就是这个电流没有测量到。我们测过一个Trimmer的峰值电流有90A，很高，相对这样大的电流，做BMS就是一个很高的要求）2 w r0 M) M) j& K1 r; Q9 i- 2 Z8 P n4、过温保护) X0 mn9 Z4 x+ m: l9 C% u# b) O1 m5 t2 s6 x9 ?! ! Q* P; q 锂电池在所规定的温度范围里是可以正常工作的，当超过所规定的温度范围，BMS会停止放电动作以保护电池，一般此功能为可选功能。 : Py% O0 7 C- o% 1 e8 Y3 T6 U- G6 s% i! W W5、均衡功能6 k n0 F1 E% |! e7 M( h3 B6 ! y0 s0 K5 f- c 因为电芯一致性的问题，串并联的电芯越多，一致性问题越突出，电池组的性能会越不好。使用时间长了，每个电芯的电压容量内阻会有所差别，会降低整体电池的性能和寿命。有了均衡功能，可尽可能充满每个电芯的容量，降低每个电芯的差别，提高整体电池的性能和寿命。 x, 1 z, i9 o8 R7 L0 y N% M! z5 W4 ! O4 目前都在用的是“电阻放电法”，即给电池组中先充满电的电芯放电，让没充满电的电芯继续充电，当每个电芯都充满电了，整组电池才停止充电。（放电时当整组电池中有一