企业培训_电池基础知识培训

第1页 鹏辉电池 化学电源 电池 基本知识 主讲 刘建华博士广州鹏辉电池有限公司 第2页 鹏辉电池 七 镍镉电池 一 化学电源概述 二 电池的组成 三 电池分类 四 镉镍 氢镍 锂离子电池的及反应原理 五 电池的生产流程 六 电池的性能参数 八 镍氢电池 九 磷酸铁锂电池 十 成品电池 鹏辉电池 定义 电化学电池是一种把氧化还原反应所释放出来的能量直接变成低压直流电能的装置 化学电源所具备的优点 1 能释放能量又能储存能量 能把化学能转化成电能储存起来2 能量转换率高 工作时对于环境及设备没有污染 没有噪音3 工作范围广 对环境适应性强 高低温 振动 冲击 失重条件下均可正常工作4 电池的主要参数 电压 电流 容量及电池形状均可在较宽的范围内变动 因此电池可设计成任意形状和大小5 携带方便 使用简单 具有长期储存能量和瞬间释放出能量的能力 鹏辉电池 电池化学能与电能相互转变的装置称为电化学电池利用两电极的电极反应产生电流的装置称为化学电池电解池利用电能发生化学反应的装置称为电解池可逆反应指可以向着反应的返方向进行的反应 例如 Cd 2NiOOH 2H2O2Ni OH 2 Cd OH 2可逆电池指电池的总反应或每个电极上进行的反应可逆化学反应可逆能量转移可逆 名词术语 第5页 鹏辉电池 主要由电极 电解质 隔膜 外壳组成电极 是电池的核心部分 主要由活性物质和导电骨架组成 活性物质是指正负极中参加成流反应的物质 决定电池基本特性的重要部分 电解质 主要担负正负极间电荷传递作用 也参加电极反应 隔膜 将正负极隔开 防止正负极之间电子短路 允许离子通过 外壳 是电池的容器 第6页 电池的组成 鹏辉电池 电池的结构 第7页 鹏辉电池 电池的结构 第8页 鹏辉电池 电池的结构 第9页 鹏辉电池 一 电池按工作性质基本可分成四大类 一次电池 也称为原电池 只能使用一次 不可反复充电使用 如锌锰干电池 碱性锌锰电池 一次锂电池等 二次电池 习惯上又称为蓄电池 可多次充放电循环使用 如 镉镍电池 氢镍电池 锂离子电池等 储备电池 采用隔离电池的某一重要组成 排除自放电 可长期保存 燃料电池 将氢气 甲醇 一氧化碳等燃料连续通入电池体时 电池就可连续放电 又称连续电池 鹏辉电池 二 电池一般用电极活性材料或再加上电解质溶液种类来命名的 如 锌锰电池 活性材料正极是二氧化锰 负极是锌 镉镍电池 正极活性材料是羟基氧化镍 负极是金属镉 金属氢化物镍电池 通常也称为氢镍电池 活性材料正极是氢氧化镍或羟基氧化镍 负极是金属氢化物或储氢合金 锂离子电池是区别以金属锂做负极的锂电池而命名的 是以锂离子 Li 嵌入化合物为正负极活性物质的二次电池 鹏辉电池 第12页 电池反应及原理 鹏辉电池 第13页 镍氢电池制造工艺流程 鹏辉电池 1 开路电压 外电路没有电流流过时的电压 2 工作电压 又称放电电压或负荷电压 是指有电流通过外电路时电池的电压 3 标称电压 Cd Ni 1 2V Ni MH 1 2V Li ion 3 6V 4 电池的容量和额定容量容量 在一定放电制度下电池的放电容量 一般用Ah mAh作为计量单位 不同的放电制度容量有所差别 如放电倍率 终止电压 环境温度等 第14页 电池的性能参数 鹏辉电池 额定容量 在规定的放电制度下电池应该具有的最低容量 一般是指20 2 下 0 2C5A放电倍率到规定的终止电压时所放出的最低容量 5 内阻 主要是指电池欧姆内阻 包括电极电阻 电解液电阻 隔膜电阻及各部分之间的接触电阻等 6 充电性能 电池在不同条件下充电时所表现出的性能 一般测量充电电压 时间 V t 曲线 可以描述充电特性 镉镍电池 充电过程电压上升 充电电压与充电制度有关 电流越大 电压越高 充电时的温度越高 充电电压越低 第15页 电池的性能参数 鹏辉电池 氢镍电池 充电时V t曲线与镉镍相似 但充电后期电压比Ni Cd低 电池充电蓄电池维护的主要工作是充电 充电好坏不仅关系到电池放出容量的高低 还严重影响到电池的使用寿命 所以 一定要注意正确的充电方法及充电控制方式 第16页 电池的性能参数 鹏辉电池 电池的性能参数 第17页 鹏辉电池 常用的充电方式有以下几种 1 标准充电 用0 1C的电流充14 16小时 这是最常用的充电方法 一般检验电池容量都以此种充电为标准 2 中速充电 用0 2C的电流充6 7小时 这种方法可在较短的时间内完成充电 但不可充电太久 充入的电量最多不可过140 的额定的容量 时间太长有引起电池漏液的危险 电池的性能参数 第18页 鹏辉电池 3 快速充电 一般用0 5 1C电流充电 在70 150分钟内充满 这种充电速度快 但是由于充电末期负极复合氧的速度小于正极生成氧的速度 快速充电时间必须用特殊的控制方法 以防止过充或漏液 A V控制 用0 5C 1C充电时设置 V5 10mV B 温度速度控制 一般取 T t 0 6 0 8C min C 充电最高温度控制 在电池组内加温度继电器 当达到设置的充电温度时 自动停止充电 这种控制方法简单 但受环境温充影响大 夏天时会充电不足 冬天太冷时有可能断不开 用温升速度控制时 电池组内需加入温度敏感元件 如 用热敏电阻为温度指示器 电池的性能参数 第19页 鹏辉电池 4 涓流充电 用1 30 1 20C的小电流充电 这只是为了补充自放电的损失 在电池充电后一直维持全充电的状态 用这么小的电流充电基本上不会增加容量 若希望对电池长期充电时 充电电流必须设定在1 30 1 20C的范围内 否则 对电池寿命有害 电池的性能参数 第20页 鹏辉电池 充电的环境条件 温度对充电影响很大 温度最恰当的时候是10 30 温度过高 氧析出过电位下降 充电效率降低 除高温电池以外 在超过45 的环境中很难把电池充满电 最多只能充到50 60 的容量 而当温度很低时 充电效率高 但负极复合氧的速度下降 容易形成高压 造成漏液 在0 10 之间不可用快速充电 0 以下用标准充电也很困难 最佳充电温度 20 5 充电设备 可以是任意的直流电源 也可以用脉冲充电 但电源工作电压不要太低 至少要高于1 7V 单体电池数量 电压太低有时会充电不足 充电不宜用恒压充电 因为电池内阻很低 恒压充电的的初始电流很大 不但易损坏充电设备也对电池组有害 若想用恒压充电 必须加入限流电阻 并电流限定在前面规定的范围之内 鹏辉电池 电池的性能参数 第21页 注意 不可并联充电 由于电池的电压 内阻不尽相同 并联充电时各电池的电流分布会很大 会造成某些电池地充而别一些电池充不足的问题 若必须并联充电时 各并联电池间必须加限流电阻调节 将电流限制在规定值内 鹏辉电池 电池的性能参数 第22页 7 放电性能 电池在不同条件下放电时所表现出的性能 测量放电电压 时间 V t 曲线 可以描述放电性能 镉镍电池 放电电压 时间曲线较为平稳 在0 2C放电时 电压约稳定在1 2V左右 放电电流越大 放电电压越低 温度升高 放电性能有所提高 氢镍电池 放电电压与镉镍电池相似 容量是Ni Cd电池的1 5 2倍 电池的性能参数 第23页 镉镍电池概述 主要部件 正负极板 电解液 隔膜 壳体 其他零件 盖帽 密封圈 二 镍镉密封碱性蓄电池分类 用途分类 普通型 高温型 高功率 极板结构分类 烧结式 发泡式 粘结式 极板盒式 袋式 外形结构分类 圆柱电池 扣式电池 小矩形电池 一 一般结构 镍镉蓄电池 第24页 鹏辉电池 镍镉电池采用Ni OH 2作为正极 CdO作为负极 碱液 主要为KON 作为电解液 镍镉电池充电时 正极发生如下反应 Ni OH 2 e OH NiOOH H2O负极发生的反应 Cd OH 2 2e Cd 2OH 总反应为 2Ni OH 2 Cd OH 2 2NiOOH Cd 2H2O放电时 反应逆向进行NiOOH H2O e Ni OH 2 OH Cd 2OH 2e Cd OH 2充电时 随着NiOOH浓度的增大 Ni OH 2浓度的减小 正极的电势逐渐上升 而随着Cd的增多 Cd OH 2的减小 负极的电势逐渐降低 当电池充满电时 正极 负极电位均达到一个平衡值 二者电势之差即为电池之充电电压 三 镍镉电池的电化学原理 镍镉蓄电池 第25页 鹏辉电池 镍镉蓄电池 第26页 温度对充电的影响 鹏辉电池 电流对放电的影响 镍镉蓄电池 第27页 鹏辉电池 镍镉蓄电池 第28页 鹏辉电池 五 影响电池性能的因素 镍镉蓄电池 第29页 容量 电极活性物质的量及活化程度内阻 电池结构 隔膜 电解液过充电 电极性能 负极氧复合能力过放电 电极性能自放电 电池结构 隔膜质量 杂质循环寿命 容量衰减 短路 鹏辉电池 镍镉蓄电池 第30页 六 电池规格 种类NI CDNI H 高度2 31 2 直径AAAAA ASC C D 容量400mAh800mAh1000mAh2000mAh NI CD2 3AA400 鹏辉电池 七 重要特性无维护工作快速充电快充型 1 5 2 5h普通型 7 14h高倍率放电内阻小 放电电压平稳 适用于大电流或脉冲放电适用温度范围广 40 至 50 高温型工作温度可达 70 工作寿命长500次 1000次循环 镍镉蓄电池 第31页 鹏辉电池 八 优缺点 优点 电池可在任何环境下使用 无须维护携带方便 高 低温和高倍率放电特性良好 自放电小 使用寿命长 优良的耐过充过放性能 镍镉蓄电池 第32页 缺点 有记忆效应 成本比铅酸蓄电池高 鹏辉电池 氢镍电池概述 主要部件 正负极板 电解液 隔膜 壳体 其他零件 盖帽 密封圈 一 一般结构 氢镍蓄电池 第33页 二 优缺点 优点 比能量高 大约是镉镍电池的1 5 2倍优良好的耐过充 过放的保护性能 无污染和 记忆 效应 无大电流使用情况下可于镉镍电池互换 缺点 成本高于镍镉电池 充电时电池内压高 自放电损失高于镍镉电池 高 低温性能没有镍镉电池好 鹏辉电池 A 漏液 爬碱这是碱性电池的通病 由于内部压力较高 排气时容易把碱液带出 尤其是在过充和过放条件下 容量出现漏液 预防方法是严格控制充电 勿用过大的电流充电 不要过充电 爬碱是在负极电位作用下 吸收空气中的水份 碱液沿金属表面自动爬延的现象 从现象上看 在电池外面出现变黑等 防止的方法一方面是在制造时用好的密封件 好的憎水强的密封胶和良好的封口工艺 使用中不要接触高湿 因爬碱是吸收空气中的水造成的 高温对爬碱有利 要防止过充 减小内部压力 电池的质量问题及预防 蓄电池 鹏辉电池 第34页 B 内短路表现为开路电压为0V 一般是制做缺陷 是隔膜被极板的毛刺刺破或正极极耳与钢壳负极相连或壳的滚槽线与电池的正极板相碰引起的 但在使用过程的外短路 严重过放 大电流充电等使电池温升过高 造成隔收缩等 防止严重地充电 C 高内阻充电时电压上升很快 放电很快放完 一般是制做缺陷 由于电解液不足 极板断裂 焊接不良等原因造成 使用过程中的过充过放 容易引起排气 损失水份 造成电也干涸 预防方法 组装前检测内阻 将高内阻的挑出 使用中防止过充 过放 电池的质量问题及预防 鹏辉电池 蓄电池 第35页 D 气胀表现为电池底部鼓起 是电池内压过高引起的 是大电流充电或放电造成的 排气阀气压力过高则是设计的前提条件 E 低容容量远低于额定值 一种原因是容量分选时误判 将低容电池混入 二是使用中充电不足 往往是充电电压过低 充电电流太小引起的 也有因内短路引起的 电池的质量问题及预防 鹏辉电池 蓄电池 第36页 A 外观 应挑出漏液 爬碱生锈 变形的电池 B 开路电压 挑出显著低于一般电池的低电压者 开路电压随时带电量多少及贮存时间变化 并无固定值 也不是说其绝对值并无太明确的意义 要控制其相对值 即开路电压显著低于一般电池的 有可能是内短路电池或自放电大的电池 C 容量按规格书规定的标准充放电条件充放电 计算放电容量 电池的检测 蓄电池 鹏辉电池 第37页 A 电池的贮存温度尽量凉爽 高温能引起隔膜降解 减少寿命 最适宜的贮存温度为0 30 但也可在50 以下的环境中做短期贮存 B 相对湿度 应控制在45 85 范围内 湿度太高会引起金属件生锈 C 贮存状态 可以是充电态 也可以是放电态 一般推荐少量带电 如 30 贮存 但镍氢电池最好不要100 带电贮存 D 运输 可以用任意交通工具运输 运输时要装入箱内 防止短路 防雨淋 日晒 镍氢电池运输时不可带电量过多 电池的贮存及运输 蓄电池 鹏辉电池 第38页 电池概述 磷酸铁锂电池 第39页 鹏辉电池 磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂 LiFePO4 代替钴酸锂作为正极材料的新型锂离子电池 磷酸铁锂的原料来源广泛 价格低廉 约为钴酸锂的1 5 无毒性 环境兼容性好 不仅兼顾了LiCoO2 LiNiO2和LiMnO2材料的优点 而且具有热稳定好 安全性能优越 绝对不用担心爆炸危险 循环性能好和等突出优点 LiFePO4被认为是标志着 锂离子电池一个新时代的到来 特别是成为锂离子动力电池正极材料的首选材料 LiFePO4的充放电反应机理如下 充电反应 LiFePO4 xLi xe xFePO4 1 x LiFePO4放电反应 FePO4 xLi xe xLiFePO4 1 x FePO4反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行 由晶格常数的变化可以计算出 在LiFePO4被氧化为FePO4时 其体积减小了6 81 充电过程中的体积收缩可以弥补碳负极的膨胀 有助于提高锂离子电池的体积利用效率 磷酸铁锂电池 第40页 磷酸铁锂的工作原理 第41页 鹏辉电池 1安全性能卓越由其本身的晶体结构和物理性质决定的 LiFePO4在0 350 之间热量变化很小 因此磷酸铁锂电池的安全性很好 不会出现爆炸的现象 我们鹏辉公司的测试数据表明 18650型磷酸铁锂电池3C过充 过放性能良好 且振动 短路 针刺 碰撞 挤压 跌落等安全性测试 及其他相关测试项目 均达到UL认证的要求 磷酸铁锂电池的特点 磷酸铁锂电池 2耐过充性能优良在LiFePO4结构中存在许多可以容纳锂离子的空位 这些空位为容纳更多的锂离子奠定了基础 使得材料具有优良的过充性能 由于过充电时电池表面的温度升高很快 因此高温下正极材料稳定性的好坏决定了电池过充性能的优良与否 图1为18650型LiFePO4电池3C充电1h 截至电压12V 最高温度仅为80 不会发生起火爆炸 磷酸铁锂电池 第42页 鹏辉电池 磷酸铁锂电池 第43页 鹏辉电池 图1磷酸铁锂电池3C5过充曲线 3放电性能优越如图2所示 磷酸铁锂电池的放电曲线非常平坦 LiFePO4在放电过程中处于FePO4 LiFePO4双相共存状态 Fe3 Fe2 相对金属锂的电压为3 4V 这是一个非常有利用价值的电压窗口 因为它不至于高到分解电解质 又不至于低到牺牲能量密度 而这两相之间的体积变化之差很小 这就说明了该材料具有较好的循环寿命和较高的充放电效率 此外 放电平台平稳 有利于电子器体稳定工作 磷酸铁锂电池 第44页 图2LiFePO4电池的放电曲线 磷酸铁锂电池 第45页 4良好的贮存性能锂离子电池的贮存性能可通过充电态自放电的大小来衡量 通常 自放电的容量损失分为不可恢复容量和可恢复容量 不可恢复容量表示活性物质的损失 例如活性物质的分解 锂离子电池中 自放电是正极 负极相互作用的结果 为了表现正极活性物质的对自放电的影响 采用金属锂作为负极研究磷酸铁锂的贮存性能 磷酸铁锂电池 第46页 从表中自放电率及容量恢复率的数据可以看出 LiFePO4的贮存性能优于LiCoO2 磷酸铁锂电池 第47页 锂电池 第48页 三 锂离子电池的性能 电压 3 3 3 8V工作温度 20 55 循环寿命500 1000次 四 锂离子电池的优缺点 比能量高工作电压高放电电压平稳贮存寿命长 钴资源少