《锂离子动力电池基本知识》.ppt

锂离子电池检测基本知识 1 电池种类划分 一次电池小型二次电池 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 2 电池术语与及使用基本常识 3 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 4 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 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 5 负载能力 当电池的正负极两端连接在用电器上时 带动用电器工作时的输出功率 即为电池的负载能力 6 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液分解产生的气体于电池内聚集所致 7 充电率 C rate C是Capacity的第一个字母 用来表示电池充放电时电流的大小数值 例如 充电电池的额定容量为1100mAh时 即表示以1100mAh 1C 放电时间可持续1小时 如以200mA 0 2C 放电时间可持续5小时 充电也可按此对照计算 8 终止电压 Cut offdischargevoltage 指电池放电时 电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值 根据不同的电池类型及不同的放电条件 对电池的容量和寿命的要求也不同 因此规定的电池放电的终止电压也不相同 9 开路电压 OpencircuitvoltageOCV 电池不放电时 电池两极之间的电位差被称为开路电压 电池的开路电压 会依电池正 负极与电解液的材料而异 如果电池正 负极的材料完全一样 那么不管电池的体积有多大 几何结构如何变化 其开路电压都一样的 10 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 11 放电深度 DepthofdischargeDOD 在电池使用过程中 电池放出的容量占其额定容量的百分比 称为放电深度 放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系 当二次电池的放电深度越深 其充电寿命就越短 因此在使用时应尽量避免深度放电 12 过放电 Overdischarge 电池若是在放电过程中 超过电池放电的终止电压值 还继续放电时就可能会造成电池内压升高 正 负极活性物质的可逆性遭到损坏 使电池的容量产生明显减少 13 过充电 Overcharge 电池在充电时 在达到充满状态后 若还继续充电 可能导致电池内压升高 电池变形 漏夜等情况发生 电池的性能也会显著降低和损坏 14 能量密度 Energydensity 电池的平均单位体积或质量所释放出的电能 一般在相同体积下 锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2 5倍 是镍氢电池的1 8倍 因此在电池容量相等的情况下 锂离子电池就会比镍镉 镍氢电池的体积更小 重量更轻 15 自我放电 Selfdischarge 电池不管在有无被使用的状态下 由于各种原因 都会引起其电量损失的现象 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 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 16 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 17 放电倍率 电池放电电流的大小常用 放电倍率 表示 即电池的放电倍率用放电时间表示或者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示 由此可见 放电倍率表示的放电时间越短 即放电倍率越高 则放电电流越大 放电倍率 额定容量 放电电流 根据放电倍率的大小 可分为低倍率 7 0C 如 某电池的额定容量为20Ah 若用4A电流放电 则放完20Ah的额定容量需用5h 也就是说以5倍率放电 用符号C 5或0 2C表示 为低倍率 18 充电循环寿命 Cyclelife 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75 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 19 记忆效应 Memoryeffect 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 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电 如1C 几次 镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应 20 化成 电池制造后 通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活 改善电池的充放电性能及自放电 储存等综合性能的过程称为化成 电池只有经过化成后才能体现真实性能 21 分容 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 22 电池充电方式介绍 快速充电 充电电流大于0 2C 小于0 8C则是快速充电 慢速充电 充电电流在0 1C 0 2C之间时 我们称为慢速充电 涓流充电 充电电流小于0 1C时 我们称为涓流充电 超高速充电 充电电流大于0 8C时 我们称之为超高速充电 恒流充电方式 恒流充电法是保持充电电流强度不变的充电 方法 恒流充电器通常使用慢速充电电流 快速自动充电方式 通常所使用的是余弦法充电 也就是说并非用恒定的大电流充电 而是像余弦波那样电流强度随之变化 这样能缓解热量的积聚 从而将温度控制在一定范围内 脉冲式充电法 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电 然后让电池停充一段时间 如此循环 23 如何计算充电时间 充电时间 小时 充电电池容量 mAh 充电电流 mA 1 5的系数假如你用1600mAh的充电电池 充电器用400mA的电流充电 则充电时间为 1600 400 1 5 6小时 24 锂离子电池保护线路 过充电保护 过充电保护 过充电保护IC的原理为 当外部充电器对锂电池充电时 为防止因温度上升所导致的内压上升 需终止充电状态 此时 保护IC需检测电池电压 当到达4 25V时 假设电池过充点为4 25V 即启动过度充电保护 将功率MOS由开转为切断 进而截止充电 25 锂离子电池保护线路 过放电保护 过放电保护 过放电保护IC原理 为了防止锂电池的过放电 假设锂电池接上负载 当锂电池电压低于其过放电电压检测点 假定为2 5V 时将启动过放电保护 使功率MOSFET由开转变为切断而截止放电 以避免电池过放电现象产生 并将电池保持在低静态电流的待机模式 此时的电流仅0 1uA 当锂电池接上充电器 且此时锂电池电压高于过度放电电压时 过度放电保护功能方可解除 另外 考虑到脉冲放电的情况 过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误 26 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 LiXMnO2或LiFeO4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 27 锂离子电池电化学反应机理 28 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 锂离子电池构成 正极活性物质 LiCoO2 LiMnO2 LiNixCo1 xO2 LiFeO4 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 DMCECEMC 外壳五金件 铝壳 盖板 极耳 绝缘片 29 锂离子电池结构 正极 30 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 锂离子电池结构 负极 31 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 锂离子电池结构 隔膜 32 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 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 33 以磷酸铁锂为正级材料的动力电池特点 循环寿命长 循环寿命高达2 000次以上 为铅酸的5倍 镍镉的4倍以上 放电功率大 放电功率分别为铅酸 镍氢电池的6 6 2 5倍 极适用在需要高功率的工具电池 大型动力电池 特别是车用电池部分 充电时间短 充电时间不到2小时 仅需铅酸电池的1 4 镍镉的1 2 转换效率佳 转换效率达95 优于铅酸的60 镍镉的70 轻薄短小 体积重量仅为铅酸的50 镍镉的70 无污染 不含任何对人体有害的重金属元素 34 磷酸铁锂动力电池的应用领域 电动工具类 高功率电动工具 无线 电锤 电钻 除草机等 电动自行车 Ebike 市场电动玩具市场太阳能LED路灯储能市场小型设备医疗设备 电动轮椅车 电动代步车固定型电源 主要用于通讯 移动基站 电信 铁路运输 电力 金融 发电厂 计算机系统作为保护 自动控制的备用电源其它小型电器 矿灯 替代铅酸 镍氢 镍镉 锂钴 锂锰类电池在小型电器上的应用 2009镍镉将全面退出市场 35 圆柱型磷酸铁锂动力组合电池 36 8串4并 成品组合电池 5 锂离子电池充放电模式 1 充电 CC CVnC1 上限电压电流或时间截止2 静置 时间截止 一般10 60min 3 放电 CCnC1 下限电压4 静置 时间截止 一般10 60min 上限电压 2 5V 4 4V 不同正负材料上限电压不同LiCoO2 LiMnO2 LiNiO2 4 2V 4 35 4 4VLTO 2 7 2 6VLFP 4V 3 7V下限电压 1 5V 3V 不同正负极材料下限电压不同LiCoO2 LiMnO2 LiNiO2 3V 2 75V 2 5VLTO 2V 1 5VLFP 2 5V 2V 说明 静置时间取决于温度变化 n取决于不同的设计标准 6 锂离子电池测试方法 1 静特性测试 电压 V mV 交流内阻 m 重量 g mg 厚度 直径等尺寸 mm 电芯自放电性能 储存 电芯一致性 多并串应用 异常与否判断 内短 失效 试验前后电压判断电芯性能 电芯储存性能 电芯一致性 多并串应用 异常与否判断 虚焊 断裂 试验前后内阻判断电芯性能 一般参考用 试验前后重量变化判断电芯有无漏液 开口等变化 装配需要 试验前后厚度变化判断电芯性能 6 锂离子电池测试方法 2 安全性测试 电气试验模拟电池被滥用情况 机械试验模拟意外损害 机械试验模拟误用损害 环境试验模拟使用环境 坏境试验模拟误用环境 外部短路 强制放电 连续充电 过充电 大电流充电 振动 冲击 落下 针刺 压坏 撞击 高温储存 温度冲击 低压试验 加热 水中投入 燃烧试验 异物试验模拟电池内部短路 强制内部短路 JISC8714PSE 6 锂离子电池测试方法 3 可靠性测试 室温放电容量 温度充放电特性 倍率充放电特性 储存特性 循环特性 考察标称容量 考察容量一致性 考察不同温度下充放电容量及电压平台 考察不同倍率下充放电容量及电压平台 考察不同温度下储存后保持和恢复容量 考察使用寿命 其它一些测试 客户的一些特殊要求 如 EV HPPC 日历寿命 3C 圆柱 脉冲试验 SOC OCV DC IR 1 认证分类 一 政府强制性产品认证 是各国政府为保护广大消费者人身和动植物生命安全 保护环境 保护国家安全 依照法律法规实施的一种产品合格评定制度 它要求产品必须符合国家标准和技术法规 比如 韩国的KC认证 台湾BSMI认证 日本的PSE认证 欧盟的CE 泰国的TISI认证 印度的BIS 国内的3C认证 但锂电池未3C认证 北美认证 便携式锂离子电池的国标认证 CQCGB31241认证 二 行业强制产品认证 与政府强制类似 不同之处在于行业内强制认证是建立在政府强制认证之上的 比如 国际民航要求所有空运的锂电池需要符合UN38 3等的要求 中国民航要求所有空运的锂电池需要基于UN38 3的运输条件鉴定 各国地区民航组织又不同要求 中国电信业的泰尔认证 北美通信业的CTIA认证 巴西电信业的Anatel认证 北美的Wercsmart注册等等 三 自愿性认证 不管是电池生产者还是电池采购者的自愿性认证的共同点都是 都是从安全考虑本着对自己产品负责的态度对电池进行第三认证 同时在销售为提升自身品牌形象 比如CB认证 以及第三方权威机构认证比如 北美地区的cULus cMETus cETLus cTUVus等篇 其它地区也有类似认证标识 国内的CQC认证 Cesi认证 2 标准分类 一 国家标准 对需要在全国范围内统一的技术要求 应当制定国家标准 国家标准由国务院标准化行政主管部门制定 二 行业标准 对没有国家标准而又需要在全国某个行业范围内统一的技术要求 可以制定行业标准 行业标准由国务院有关行政主管部门制定 并报国务院标准化行政主管部门备案 在公布国家标准之后 该项行业标准即行废止 三 地方标准 对没有国家标准和行业标准而又需要在省 自治区 直辖市范围内统一的工业产品的安全 卫生要求 可以制定地方标准 地方标准由省 自治区 直辖市标准化行政主管部门制定 并报国务院标准化行政主管部门和国务院有关行政主管部门备案 在公布国家标准或者行业标准之后 该项地方标准即行废止 四 企业标准企业生产的产品没有国家标准和行业标准的 应当制定企业标准 作为组织生产的依据 企业的产品标准须报当地政府标准化行政主管部门和有关行政主管部门备案 已有国家标准或者行业标准的 国家鼓励企业制定严于国家标准或者行业标准的企业标准 在企业内部适用 3 标准的执行 国家标准 行业标准分为强制性标准和推荐性标准 强制标准 保障人体健康 人身 财产安全的标准和法律 行政法规规定强制执行的标准 推荐性标准 强制标准外的其他标准 国家标准 地方标准属于强制标准 行业标准部分属于强制标准 如 航空运输锂电池测试规范 强制性标准 必须执行 不符合强制性标准的产品 禁止生产 销售和进口 推荐性标准 国家鼓励企业自愿采用 企业对有国家标准或者行业标准的产品 可以向国务院标准化行政主管部门或者国务院标准化行政主管部门授权的部门申请产品质量认证 认证合格的 由认证部门授予认证证书 准许在产品或者其包装上使用规定的认证标志 已经取得认证证书的产品不符合国家标准或者行业标准的 以及产品未经认证或者认证不合格的 不得使用认证标志出厂销售 4 锂离子电池测试标准介绍 4 锂离子电池测试标准介绍 5 锂离子电池认证汇总 1 实验室概况 安全实验室 性能实验室 实验室 3间 安全 性能 实验员 3人 测试内容 安全 性能 储存等测试范围 3C EV电芯 2 主要测试设备 安全测试 动力电池针刺 挤压机 20吨 圆柱 3C用撞击机 圆柱 3C用短路 热箱试验机 圆柱 3C用挤压机 圆柱 3C用过充防爆机 圆柱 3C用针刺机 圆柱 3C用强制内部短路机 3 主要测试设备 储存测试 恒温恒湿箱 40 150 99 RH 温湿度自动运行 恒温箱 20 95 恒温箱 70 150 温度自动运行 4 主要测试设备 性能测试 5V 50A充放电机 配套 70 150 恒温箱 各种倍率 温度下充放电 适用3Ah以上及EV电池测试 5V 100A充放电机 配套 70 150 恒温箱 各种倍率 温度下充放电 适用EV电池测试 5V 6A充放电机 配套 70 150 恒温箱 各种倍率 温度下充放电 适用圆柱 4C电池测试 5 主要测试设备 循环测试 5V 6A充放电机 各种倍率 循环及常温充放电容量测试 适用圆柱电池 5V 10A充放电机 各种倍率 循环及常温充放电容量测试 适用圆柱电池 5V 20A充放电机 各种倍率 循环 常温充放电容量测试 适用EV电池 6 测试项目及能力 圆柱 3C电芯 CB PSE UL等要求的大部分可项目以测试 EV电芯 GB31241 GB31484 GB31485 GB31486大部分项目可测试 实验室无测试能力项目 1 振动 圆柱 3C EV 2 机械冲击 圆柱 3C EV 3 温度冲击 圆柱 3C 4 HPPC EV 5 EV模组性能及安全测试 测试能力不足 7 测试项目及周期 圆柱 全套试验完成需样品145pcs 最长检测周期为0 5C循环 需60天 7天可完成约30次循环 安全实验需一个工作周时间 7 测试项目及周期 EV 全套试验完成需样品145pcs 最长检测周期为0 5C循环 需60天 7天可完成约