汇丰能源锂离子电池基础知识培训教材PPT课件.ppt

1 培训教程 锂离子电池基础知识 湖南汇丰能源电池有限公司 2020 3 18 2 教程大纲 电池分类锂离子电池之电化学反应机理锂离子电池之应用领域锂离子电池之结构锂离子电池之性能指标锂离子电池质量认证 2020 3 18 3 锂二次电池的诞生及发展过程 锂电池和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池 锂电池一般指锂一次电池和锂二次电池 其中锂一次电池的研究始于20世纪50年代 70年代进入实用化 锂离子电池研究始于20世纪80年代 1970年日本研制成以石油焦 是一种从石油中提取出的碳黑 为负极 LiCoO2为正极的锂离子二次电池 同年 Sony电池公司宣称将推出以碳为负极的锂离子电池 1991年 日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了一种以聚糖醇热解碳 PFA 为负极的锂离子电池 1993年 美国Bellcore 贝尔电讯公司 首先报导了采用PVDF工艺制造成聚合物锂离子电池PLIB 2020 3 18 4 电池种类划分 一次电池二次电池 镍镉 镍氢 锂离子铅酸电池动力电池燃料电池太阳能电池 地面光伏发电其他新型电池 一 按电池的使用 二 常见的电池 2020 3 18 5 基础知识与专业术语 认识电池 2020 3 18 6 三 锂离子电池的分类锂离子电池按电解液材料可分为液态锂离子电池和固态聚合物锂离子电池 按外观分类可分为圆型 方型和纽扣电池 按外包装材料可分为 钢壳电池 铝壳电池 软包装电池 2020 3 18 7 什么叫锂离子电池 锂离子电池是指Li 嵌入化合物为正 负极的二次电池 正极采用锂化合物LiXCoO2 LiXNiO2或LiXMnO2负极采用锂 碳层间化合物LiXC6 电解质为溶解有锂盐LiPF6 LiAsF6等有机溶液 在充放电过程中 Li 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌 被形象的称为 摇椅电池 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 2020 3 18 8 锂离子电池电化学反应机理 正极反应 LiCoO2 Li1 xCoO2 xLi xe 负极反应 C xLi xe CLix电池总反应 LiCoO2 C Li1 xCoO2 CLix放电时发生上述反应的逆反应 2020 3 18 9 锂离子电池特点2 1 1 平均放电电压高 一般在3 6V左右 2 比能量大 无论是体积能量还是质量能量 均比较大 3 能量密度高 与目前较广泛使用的Ni Cd蓄电池及Ni MH蓄电池相比 由于锂离子二次电池具有较高的工作电压及体积比容量 因而它的能量密度是最高的 2020 3 18 10 锂离子电池特点2 2 4 自放电率小 锂离子二次电池在首次充电过程中 会在碳负极表面形成一层固体电解质中间相 SEI 膜 它允许离子通过 但不允许电子通过 因此可以较好的防止自放电 使其自放电率大大减小 5 循环寿命长 500 1000次 6 清洁无污染 7 质量轻 体积小 因为它能量密度高 在同样放电容量的情况下 锂离子二次电池的重量是最轻的 2020 3 18 11 2020 3 18 12 应用领域 锂离子电池应用 2020 3 18 13 锂离子电池结构 正极活性物质 LiCoO2 LiMnO2 LiNixCo1 xO2 导电剂 溶剂 粘合剂 基体负极活性物质 石墨 MCMB 粘合剂 溶剂 基体隔膜 PP PE 电解液 LiPF6 DMC EC EMC 外壳 五金件 铝壳 盖板 极耳 绝缘片 铝塑膜 保护板 2020 3 18 14 方 角 形锂离子电池结构图 铝壳或钢壳 2020 3 18 15 2020 3 18 16 圆柱形锂离子电池结构图 密封圈 限流开关 隔膜 绝缘垫 铝壳或钢壳 2020 3 18 17 软包装锂离子电池结构图 2020 3 18 18 锂离子电池结构 正极 正极基体 铝箔 约0 020mm厚 正极物质 钴酸锂 碳黑 PVDF 正极集流体 铝带 约0 1mm厚 2020 3 18 19 锂离子电池结构 负极 负极基体 铜箔 约0 015mm厚 负极物质 石墨 CMC SBR 负极集流体 镍带 约0 07mm厚 2020 3 18 20 锂离子电池结构 隔膜 材质 单层PE 聚乙烯 或者三层复合PP 聚丙烯 PE PP厚度 单层一般为0 016 0 020mm三层一般为0 020 0 025mm 2020 3 18 21 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 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20ppm的手套箱内 规格 溶剂组成DMC EMC EC 1 1 1 重量比 LiPF6浓度1mol l质量指标 密度 25 g cm31 23 0 03水分 卡尔费休法 20ppm游离酸 以HF计 50ppm电导率 25 10 4 0 5ms cm 2020 3 18 22 液态锂离子电池性能 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针刺跌落湿水低压振动 2020 3 18 23 容量2 1 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 2020 3 18 24 容量2 2 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 2020 3 18 25 电压2 1 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 2020 3 18 26 电压2 2 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 2020 3 18 27 内阻2 1 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 2020 3 18 28 内阻2 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 欧姆电阻遵守欧姆定律 极化电阻随电流密度增加而增大 但不是线性关系 常随电流密度的对数增大而线性增大 2020 3 18 29 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60 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300 500次 行业标准 最高可达800 1000次 2020 3 18 30 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2 8V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 我们现在可以作到83 85 放电平台对手机电池使用效果影响最大 关系到手机通话的声音清晰度 2020 3 18 31 自放电 电池完全充电后 放置一个月 然后用1C放电至2 8V 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 我们可以做到6 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 2020 3 18 32 记忆效应2 1 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 在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量 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 2020 3 18 33 记忆效应2 2 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 1C放至0V 一是采用大电流充放