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锂离子电池内部培训 基础知识 什么叫电池 电池是指能将化学能 光能 原子能等形式的能直接转化为电能的装置 是一种可以储蓄电能的装置 主要应用于各种携带式和移动式的装置或者备用电力系统上 在生活 生产 科研等领域应用非常广泛 当今人类的生活已经越来越离不开电池 基础知识 电池的分类 电池的种类繁多 按电解液的酸碱性可分为酸性电池 碱性电池 中性电池 按电池的某些特征分为高容量电池 高功率电池 免维护电池 圆柱形电池 扣式电池 方形电池 还可以分为一次电池 只能放电不能充电 二次电池 充电后可重复使用 等 电池 镍氢电池 镍镉电池 铅酸电池 干电池 二次电池 一次电池 锂离子电池 基础知识 电池基本概念 电压 V 开路电压 指电池在没有连接外电路或者外负载时的电压 开路电压与电池的剩余能量有一定的联系 电量显示就是利用这个原理 工作电压 是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差 在电池放电工作状态下 当电流流过电池内部时 必须克服内阻的阻力 故工作电压总是低于开路电压 放电截止电压 指电池充满电后进行放电 放完电时达到的电压 若继续放电则为过度放电 对电池的寿命和性能有损伤 充电限制电压 充电过程中由恒流变为恒压充电的电压 基础知识 电池基本概念 电池容量 Ah 电池容量是指电池获得电量的量或电池所能够储存的电量多少 容量是电池电性能的重要指标 它由电极的活性物质决定 若单电极的容量不等 电池的容量取决于容量小的那个电极 决不是正负极容量之和 容量用C表示 单位用Ah 安时 或mAh 毫安时 表示 公式 C It 即电池容量 Ah 电流 A x放电时间 h 容量为10安时的电池 以5安培放电可放2小时 以10安培放电可放1小时 C2表示用2小时放完电后所测得电池的容量 C5表示用5小时放完电后所测得电池的容量 电池的实际容量主要取决于以下几个因素 活性物质的数量 质量 活性物质的利用率 基础知识 电池基本概念 电池能量 Wh 1 定义 指电池储存的电量 能量 的多少 用Wh来表示2 公式 能量 Wh 额定电压 V 工作电流 A 工作时间 h 3 意义 3 7V 15Ah单体电芯的能量为55 5Wh 37V 10Ah电池组的能量为370Wh 电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标 容量不能决定做功的多少 基础知识 电池基本概念 能量密度 Wh Kg 指单位体积或单位质量所释放的能量 通常用体积能量密度 Wh L 或质量能量密度 Wh kg 表示 如一节锂电池重325g 额定电压为3 7V 容量为10Ah 则其能量密度为113Wh kg 下表为理论值 在实际应用情况中需要考虑电池结构中的壳体 零件等各方面因素 目前锂电池的能量密度是镍镉和镍氢电池的3和1 5倍 能量密度的高低是由材料密度与结构决定的 基础知识 电池基本概念 放电倍率 A 放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量 C 时所需要的电流值 它在数值上等于电池额定容量的倍数 放电时率与放电倍率互为倒数 以10Ah电池举例 5小时放电 C 5 10Ah 5h 2A 0 2C0 5小时放电率 C 0 5 10Ah 0 5h 20A 2C 基础知识 电池基本概念 充电方式 CC CV CC即恒流 以固定的电流对电池充电 CV即恒压 以固定的电压对电池充电 充电电流会随著下降 涓流充电 指以小於0 1C电流对电池充电 一般在电池接近充满电时 进行补充充电时采用 若电池对充电时间没有严格要求的话 建议采用涓流充电方式充电 在此情况下 电池使用寿命较长 充 放电深度 CODDOD 电池保有容量数值的表示方法 充 放电深度以百分比率来表示 如 容量为10Ah的电池放电后容量变为2Ah 可以称为80 DOD 容量为10Ah的电池 充电后容量为8Ah 80 COD 形容满充满放 通常称为100 DOD 基础知识 电池基本概念 内阻 m 电池的内阻是指电池在工作时 电流流过电池内部受到的阻力 内阻大小主要受电池的材料 制造工艺 电池结构等因素的影响 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻 欧姆内阻是由电极材料 电解液 隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成 极化内阻包括电化学极化与浓差极化引起的电阻 电池内阻是一个非常复杂而又非常重要的特性 影响内阻的因素有 材料 结构等 由于内阻的存在 当电池放电时 电流经过内阻要产生热量 消耗能量 电流越大 消耗能量越多 所以内阻越小 电池的性能越好 不仅电池的实际工作电压高 消耗在内阻上的能量也少 基础知识 电池基本概念 自放电率 月 1 定义 电池在储存过程中 容量会逐渐下降 其减少的容量与电池容量的比例 称为自放电率 2 原因 由于电极在电解液中的不稳定性 电池的两个电极发生了化学反应 活性物质被消耗 转为电能的化学能减少 电池容量下降 3 影响因素 环境温度对其影响较大 过高温度会加速电池的自放电4 表示 电池容量衰减 自放电率 的表达方法和单位为 月 5 产生结果 电池自放电将直接降低电池的容量 自放电率直接影响电池的储存性能 自放电率越低 贮存性能越好 基础知识 电池基本概念 循环寿命 次 1 概念 二电池经历一次充放电称为一个周期或一次循环 电池在反复充放电后 容量会逐渐下降 在一定的放电条件下 电容量降至规定值之前 电池所经受的循环次数就是循环寿命 2 定义 以电池的额定容量为标准 当电池容量降至80 时的充放电次数称为循环寿命3 影响因素 不正确使用电池 电池材料 电解质的组成和浓度 充放电倍率 放电深度 DOD 温度 制作工艺等都对电池的循环寿命有影响 基础知识 电池基本概念 记忆效应 1 定义 电池的记忆效应是指未完全放电的电池 在下一次充电时所能充电的百分比 2 原因 电池内物质产生结晶 如镍镉电池中 Cd不断聚集成团形成大块金属镉 降低了负极的活性 3 避免 为了消除电池的记忆效应 在充电之前 必须先完全放电 然后再充电 基础知识 电池基本概念 放电平台 指放电曲线中电压基本保持水平的部分 放电平台越长 越平稳 电池的放电性能越好 电池组的一致性 由多个单体电芯串连 并联在一起就组成了电池组 电池组的整体性能和寿命取决于其中性能较差的一个电芯 这就要求电池组中每个电芯性能的一致性要高 除了单体电芯本身性能的误差和原材料质量的好坏 最主要原因是制造工艺 工艺的改进对提高电池的质量非常重要 化成 电池制成后 通过一定的充放电方式将其内部正负极活性物质激活 改善电池的充放电性能及自放电 贮存等综合性能的过程称为化成 电池经过化成后才能体现其真实的性能 同时化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性 使最终电池组的性能提高 基础知识 锂电池基本构成 主要材料 正极 负极 电解液 隔膜结构 圆形 方形 叠片 卷绕形态 聚合物 软包装 锂离子 钢壳 基础知识 锂电池工作原理 充电时正极的Li 和电解液中的Li 向负极聚集 得到电子 被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中放电时镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子 进入电解液 电解液内的Li 向正极移动 影响充放电反应的因素 锂离子在正负极之间嵌入和脱嵌受到的阻力要尽可能小 才有利于电化学的反应构成锂离子电池的正负极物质的材料 电解质溶液的性质 组成 浓度 隔膜材料的性能等都是决定锂离子电池充放电性能的重要因素 基础知识 锂电池工作原理 一 原理1 正极构造LiCoO2 钴酸锂 导电剂 乙炔黑 粘合剂 PVDF 集流体 铝箔 正极2 负极构造石墨 导电剂 乙炔黑 增稠剂 CMC 粘结剂 SBR 集流体 铜箔 负极3 充电过程电源给电池充电 此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上 正锂离子Li 从正极 跳进 电解液里 爬过 隔膜上弯弯曲曲的小洞 游泳 到达负极 与早就跑过来的电子结合在一起 正极上发生的反应为LiCoO2 Li1 xCoO2 Xli Xe 电子 负极上发生的反应为6C XLi Xe LixC6 基础知识 充电特性 基础知识 放电特性 基础知识 温度特性 基础知识 可靠性测试 1 循环寿命2 不同倍率的放电特性3 脉冲放电特性4 不同温度的放电特性5 充电特性6 不同温度的自放电特性7 存储特性8 温度循环测试9 高温测试10 跌落测试11 振动测试 基础知识 安全性实验 1 热冲击实验 实验条件 电池在满电情况下 在高温箱里温度上升5 分钟 温度达到150 放置10分钟 实验要求 电池不爆炸 不起火 2 撞击实验 实验条件 电池在满电情况下 将直径15 8mm的钢棒放在电池上 在距电池61cm高的距离9 1kg重的物体自由落体在钢棒上 实验要求 电池不爆炸 不起火 基础知识 安全性实验 3 挤压实验 实验条件 电池在满电情况下 将13kN的力加在电池侧面的直径为32mm的两活塞上 直到活塞上压强达到17 2MP 实验要求 电池不起火 不爆炸 4 过充实验 实验条件 电池在满电下以 3C10V 恒流恒压对电池进行充电 当电流达到100mA时 转为恒压充电至48小时 实验要求 电池不爆炸 不起火 基础知识 安全性实验 5 短路实验 实验条件 电池在满电情况下用小于100毫欧的导线使电池在常温和60 2 正负极短路 实验要求 电池不爆炸 不起火 6 振动实验 实验条件 电池在满电情况下以振幅 1 6mm 频率 10 55HZ上下 左右 前后振动90 100分钟 实验要求 电池不起火 不爆炸 基础知识 安全性实验 7 温度循环实验 实验条件 在满电情况下将电池在30分钟内温度加到70 3 保持4小时 再将温度在30分钟内减低到20 3 保持2小时 再将温度在30分钟内上升到40 3 保持4小时 再将温度在30分钟内减低到20 3 以上重复10个循环后 电池再静止7天 实验要求 电池不爆炸 不起火 基础知识 电池包的组成 电池包组成及功能 1 锂电芯 提供可充放电源 2 保护线路板 防止电池过充 过放 短路 3 可恢复保险丝 PTC 正热敏电阻起到高温保护作用同时又是保护线路板实效后的二重保护 4 保险丝 为保护电池大电流放电产生危险而自动熔断 基础知识 避免电池短路 操作时为什么要避免电池正负极短路 电池正负两端连接在任何导体上都会造成外部短路 电池类型不同 短路有可能带来不同程度的后果 如 电池内部温度升高 电解液分解 内部气压增大 气压值如果超过电池密封垫片耐压值时 电池将漏液 这种情况严重损坏电池 如果安全阀失效 甚至会引起爆炸 因此切勿将电池外部短路 基础知识 电池组匹配 为什么电池组要经过匹配 以单体电池为动力源如手机 电源管理技术已经十分完善 但在电池组中 单体之间的差异总是存在的 以容量为例 其差异性永不会趋于消失 而是逐步恶化的 电池组中流过同样电流 相对而言 容量大者总是处于小电流浅充浅放 趋于容量衰减缓慢 寿命延长 而容量小者总是处于大电流深充深放 趋于容量衰减加快 寿命缩短 两者之间性能参数差异越来越大 形成正反馈特性 小容量提前失效 整组寿命缩短 所以我们在组装电池组时一定要严格的按照相关参数进行成组匹配 行业简介 单位 10亿日圆 二次可充电电池近10年增长迅速 铅酸电池至2002年 仍旧占据二次电池领域的50 达到100多亿美金 锂离子电池在2002年全球达到46亿美金的销售额锂离子电池增长远远高于行业增长 已经取代镍镉电池 成为市场的主流 除铅酸电池 2002年 由于移动通讯在全球的发展 促进二次电池的发展 特别是锂离子二次电池市场交易额达到近40亿美金 行业简介 出口量 出口金额 产量 单位 万支 万美金 中国锂离子电池从2001年开始起步 2002年随着移动通讯迅速发展出口占据产量的50 是国内锂离子电池产业的重要支柱锂离子电池的出口单价呈下降的趋势 是全球趋势由于是移动通讯第一大国 同时拥有大量移动设备 中国锂离子电池的需求潜力大未来预测 全球锂离子电池需求量年增长率在60 资料来源 中国化学与物理电源行业协会 中国轻工业年鉴2001 2001 2002 2003 行业简介 2001年到2005年 只有锂离子电池和锂聚合物电池在增长 镍镉和镍氢电池的用量都在下降从2001年的数据来看 手机和笔记本是锂离子电池最主要的用途 而电动工具是镍镉电池最主要的用途 这种分布是极其不均衡的 这说明每种电池都有它特别有效的应用领域 我们姑且称之为 热点 表格2中的阴影部分 行业简介 图文 雅马哈配备锂离子电池的电动自行车日经BP社2004 02 05 雅马哈发动机公司于2004年2月2日推出了从属于混合电动自行车 NewPAS 系列 配备锂离子电池的 NewPASLithium 该产品设有 强力模式 在该模式下 体积小 重量轻以及输出功率大的锂离子电池可发挥优势 该产品定于3月15日上市 车体价格为8万2800日元 约合人民币6210元 专用充电器的价格为7000日元 约合人民币525元 行业简介 日本丰田Prius混和动力型电动汽车 车重 1240kg发动机 水冷4缸发动机电机类型 永磁电池 6 5AhNi MH电池座位 5销售 已达5万辆 行业简介 我所看到的天能和超威1000员工 30万KWh 利润20 超过全国50 市场 行业简介 比亚迪背景 1996年成立 2002年香港主板上市 目前是镍氢电池世界第一供应商 镍镉电池世界第二 锂离子电池全球第三 三洋第一 国内最大的二次电池供应商 主要产品是手机锂离子电池 500 800MAH 电动工具方面的镍镉 镍氢电池 有员工2万人业务 2002年销售收入达到23亿RMB 6 6亿利润 其中锂离子电池占据销售额的50 日产100多万支电池 主要用户为MOTORALA NOKIA等手机厂商 人工成本与材料成本比例为2 8 材料全部外购 大部分进口研发 技术来源于长春物理化学所的三名博士 但目前已经离开 号称有销售收入的5 投入研发 正在研发5 10AH容量的电池 在上海的松江正在建立新工厂 主要针对台商在上海周遍的电子设备配套电池 同时也生产笔记本电池与电动自行车整车 自己研发锂离子电池 在03年的2月 收购秦川汽车 开始向汽车工业挺进 并开始研发电动汽车项目 行业内褒贬不一 比亚迪在研发方面注重对新技术的跟踪