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锂离子电池初级培训 1 主要内容 概述锂离子基础知识锂离子电池的应用领域锂离子电池的结构 生产工艺锂离子电池的性能PACK 2 1 概述 日本SONY公司在1991发布首个商用锂离子电池 锂离子电池自1991年问世以来 因其卓越的性能得到了迅猛的发展 并广泛地应用于社会 锂离子电池以其它电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域 像大家熟知的移动电话 笔记本电脑 智能穿戴 3C数码产品等的应用表明 锂离子电池是一种理想的小型绿色电源 3 2 锂离子电池基础知识 锂离子电池是指Li 嵌入化合物为正 负极的二次电池 正极 目前国内采用钴酸锂 三元 磷酸铁锂 锰酸锂此四种材料为主 我司目前使用钴酸锂和三元为正极 负极 目前采用石墨 天然石墨 人造石墨 硅碳 锡基等 我司目前使用人造石墨为负极 隔膜 材质采用PP或PE 工艺有湿法和干法两种 湿法工艺复杂成本高 我司目前使用湿法陶瓷隔膜 电解液 一般为LiPF6 有机溶剂一般为DMC DEC EMC EC PC 添加剂一般为VC BP PS 极耳 正极为铝转镍 负极为镍 厚度一般0 1mm 4 5 在充放电过程中 Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌 充电池时 Li 从正极脱嵌 经过电解质嵌入负极 负极处于富锂状态 放电时则相反 放电时锂离子不能完全移向正极 必须保留一部分锂离子在负极 以保证下次充电时的锂离子畅通嵌入通道 否则 电池寿命就相当短 为了保证碳层中放电后留有部分锂离子 就要严格限制放电终止最低电压 也就是锂离子电池不能过放电 例如LiCoO2 其放电终止最低电压通常为3 0V 节 最低也不能低于2 7V 节 同时 最高充电终止应为4 2V 不能过充 否则会因正极LiCoO2中的Li离子拿走太多时 造成所谓的晶型瘫塌 而使电池表现出寿命终结状态 由此可见 锂离子充 放电控制精度要求相当高 既不能过充 也不能过放 否则都将影响电池寿命 这是由锂离子电池工作机理所决定的 锂离子电池特点 高能量密度高工作电压长循环寿命电化学特性稳定荷电保持能力强无污染无记忆效应 6 常见电池的分类 电池 常见可充电电池性能比较 备注 9 正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料 直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化 约占锂离子电池电芯材料成本的70 左右 按正极材料分类 目前主要有钴酸锂 锰酸锂 三元材料和磷酸铁锂四种锂电池 10 目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的钴酸锂 LiCoO2 作为正极材料 其理论容量为274mAh g 实际容量为150mAh g左右 相比较而言 钴酸锂最大的问题是成本高 钴价约65万元 吨 含钴60 的钴酸锂超过50万元 吨 能量密度高 体积小 是3C数码产品的主选材料 锰酸锂电池高温性能差 循环寿命差 能量密度低 磷酸铁锂因为高放电功率 成本低 约10 15万元 吨 可快速充电且循环寿命長 2000次以上 在高温高热环境下的稳定性高 300度高温以上才有安全隐患 具有很好的安全性能 目前是动力汽车用锂电正极材料的理想选择 钴镍锰酸锂 也就是三元材料 融合了钴酸锂和锰酸锂的优点 不论在小型低功率电池 还是在大功率动力电池上都有应用 但循环性能和高温性能比钴酸锂差 3 锂离子电池的应用领域 11 Li ionBattery 4 锂离子电池主要材料 锂电池的主要材料正极负极隔膜电解液极耳铝塑膜胶带保护板 12 4 软包装锂离子电池结构图 13 锂离子电池结构 正极 14 正极基体 铝箔 约0 009 0 012mm厚 正极物质 钴酸锂 碳黑 PVDF 正极集流体 铝带 约0 1mm厚 锂离子电池结构 负极 15 负极基体 铜箔 约0 010mm厚 负极物质 石墨 CMC SBR 负极集流体 镍带 约0 01mm厚 锂离子电池结构 隔膜 16 材质 单层PE 聚乙烯 或者三层复合PP 聚丙烯 PE PP厚度 一般为0 007 0 020mm 锂离子电池结构 电解液 性质 无色透明液体 具有较强吸湿性 有腐蚀性 应用 主要用于可充电锂离子电池的电解液 只能在干燥环境下使用操作 如环境水分小于200ppm的手套箱内 规格 溶剂组成DMC EMC EC LiPF6质量指标 密度 25 g cm3水分 卡尔费休法 游离酸 以HF计 电导率 25 17 4 1聚合物电池配料工艺流程 正极稀浆处理 正极筛浆料 正极混干粉 正极真空搅拌 负极稀浆处理 负极筛浆料 负极混干粉 负极真空搅拌 正极涂布 负极涂布 正极 负极 19 可编辑 聚合物电池涂布工艺流程 20 送带 涂布 正 负极浆料 正 负极辊压 烘烤 收带 聚合物电池裁片 制片工艺流程 21 正极贴大片胶 正极裁大片 正极片分条 负极裁大片 负极贴胶 负极片分条 负极焊极耳 正极焊极耳 卷绕扫粉 卷绕扫粉 正极贴胶 聚合物电池卷绕 装壳工艺流程 卷绕 护口入盒 侧封 正 负极片 配片 隔膜 入铝塑膜顶封 压角 贴保护膜 烘烤 聚合物电池注液 化成 成型工艺流程 23 高温烘烤 化成 注液 二封 夹具烘烤 切折烫 聚合物电池分容 老化 检测包装工艺流程 24 分容 高温老化 客户 静置 喷码 pack 高温老化 振动 包装 5 锂离子电池的性能 常规性能 容量电压内阻可靠性性能 循环寿命放电平台自放电贮存性能高低温性能安全性能过充短路重物冲击热冲击跌落挤压 25 容量 电池在一定放电条件下所能给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 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Ah 其值小于理论容量 额定容量也叫保证容量 是按国家或有关部门颁布的标准 保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量 26 电压 开路电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压 电池的开路电压等于电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差 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 电池在接通负载后 由于欧姆电阻和极化过电位的存在 电池的工作电压低于开路电压 27 内阻 电流通过电池内部时受到阻力 使电池的电压降低 此阻力称为电池的内阻 电池的内阻不是常数 在放电过程中随时间不断变化 因为活性物质的组成 电解液浓度和温度都在不断地改变 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻 极化内阻又包括电化学极化与浓差极化 内阻的存在 使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压 充电时端电压高于电动势和开路电压 28 循环寿命 电池在完全充电后 再完全放电叫1个循环 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 锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达500次 行业标准 最高可达800 2000次 29 放电平台 锂离子电池完全充电后 放电至3 6V时的容量记为C1 放电至3 0V时的容量记为C0 C1 C0称为该电池之放电平台 行业标准1C放电平台为70 以上 现在一般可以做到80 85 放电平台对手机 平板电脑电池使用效果影响最大 关系到手机通话的声音清晰度 30 自放电 电池完全充电后 放置一个月 然后用1C放电至3 0V 其容量记为C2 电池初始容量记为C0 1 C2 C0即为该电池之月自放电率 行业标准锂离子电池月自放电率小于12 现在一般为5 8 电池自放电与电池的放置性能有关 其大小和电池内阻结构和材料性能有关 31 记忆效应 记忆效应是针对镍镉电池而言的 由于传统工艺中负极为烧结式 镉晶粒较粗 如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电 镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台 电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点 尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上 同样在每一次使用中 任何一次不完全的放电都将加深这一效应 使电池的容量变得更低 要消除这种效应 有两种方法 一是采用小电流深度放电 如用0 1