拆装动力电池.ppt

学习领域3动力电池系统结构原理与检修学习情境1拆装动力电池 学习目标 1 了解动力电池的作用 类型与特点 2 掌握锂离子电池是如何工作的 3 掌握磷酸铁锂电池和三元锂电池的结构组成 4 掌握拆装动力电池和更换内部组件的操作方法和注意事项 5 拓展学习TESLA的拆解 任务1客户委托 拆装动力电池 情境描述 4S店技术主管在经过各项检测之后 判断张先生的EV200汽车是动力电池故障 确定需要对动力电池进行解体 此时需要你作为维修人员协助技术主管按照规范程序 从车上拆卸动力电池 技术主管完成维修后 需要你对动力电池进行安装 并确认其工作状态正常 电能都取决于纯电动汽车的 动力电池系统 动力电池系统的作用 提示 车辆行驶过程中 随着电量的消耗 SOC表上指针指示的数值会逐渐减小 当SOC减小到以下时 SOC表上的电量不足指示灯会点亮 提示用户尽快对车辆进行充电 30 动力电池系统的类型及优缺点 动力电池系统的类型及优缺点 目前常用的五种动力电池 先了解几个重要的概念比能量和比功率比能量 能量密度 是指电池单位质量所能输出的电能 单位Wh kg 比能量高的动力电池就像龟兔赛跑里的乌龟 耐力好 可以长时间工作 续驶里程长 比功率 功率密度 是描述电池在瞬间能放出能量的能力 单位W kg 比功率高的动力电池就像百米赛跑里的博尔特 速度快 可以提供很高的瞬间电流 以保证汽车的加速性能 动力电池系统的类型及优缺点 TeslaRoadster使用18650型钴酸锂电池 锂离子电池的基本电性能参数 1 开路电压 是指电池没有负荷时正 负极两端之间的电压 一般情况下 Li ion电池充满电后开路电压为4 15 4 2V左右 通过对电池开路电压的检测 可以判断电池的荷电状态 工作电压又称闭路电压 是指电池有负荷时正 负极两端的电压 因电池在放电工作状态下 当电流流过电池内部时 需克服电池的内部结构所造成的阻力 故工作电压总是低于开路电压 2 电池容量 它表示在一定条件下 放电率 温度 终止电压等 电池能放出的电量 即电池的容量 常用mAh表示 3 放电终止电压 电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为放电终止电压 如正极为钴酸锂 锰酸锂和三元材料或其混合物时 放电终止电压为3 0V 正极为磷酸铁锂时 放电终止电压为2 0V 4 充电终止电压 电压上升到不宜再继续充电的最高工作电压称为充电终止电压 如正极为钴酸锂 锰酸锂和三元材料或其混合物时 充电终止电压为4 2V 正极为磷酸铁锂时 充电终止电压为3 65V 5 充放电倍率 Charge Rate Discharge Rate C 用来表示电池充放电时电流大小的比率 即倍率 如1500mAh的电池 0 2C表示用300mA的电流充放电 1500mAh的0 2倍率 1C表示用1500mA的电流充放电 1500mAh的1倍率 6 内阻 电池正 负极两端之间的电阻叫内阻 由欧姆内阻与极化内阻两部分组成 电池的内阻越小 电池的性能越好 电池内阻值大 会导致电池放电工作电压降低 放电时间缩短 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 是衡量电池性能的一个重要参数 注 一般以半电态内阻为标准 测量电池的内阻需用专用内阻测试仪 7 自放电率 又称荷电保持能力 是指电池在开路状态下 电池所储存的电量在一定条件下的保持能力 主要受电池的制造工艺 材料 储存条件等因素的影响 是衡量电池性能的重要参数 注 在GB规定Li ion满电后在20 2 条件下开路搁置28天 可允许电池有15 的容量损失 8 循环寿命 电池在一定的条件下进行全充全放电循环 初始容量记为100 当连续三次的放电容量降到初始容量的80 时 所经历的循环次数为电池的循环寿命 3 7V系列的锂离子电池的循环次数在500次以上 3 2V系列的锂离子电池的循环次数在1000次以上 循环寿命 电池容量降低 衰减 到某一规定值之前 电池能经受多少次充电与放电 充电一次放电一次称为一个周期或一次循环 充放电循环 不等于 充电次数 循环指的是 电池从满电到用光 这是一个循环 如果你的电池从满电状态 用了十分之一的电量 然后又充满了 这是十分之一个循环 这样充10次 才基本算一个循环 同样 从满电 用了一半然后充满 再用到一半再充满 这也是一个循环 这时你是充了两次电 所以 循环仅仅是取决于 从电池累计放出多少电 而跟 充电次数 没有直接关系 能量效率和循环寿命 充放电强度对循环次数的影响工厂标注 每次从0 充放到100 1C放 0 3C充 500次后容量衰减到80 这是最严苛的测试循环 如果每次电量的循环都在25 75 1C放 0 3C充 2000次后容量衰减到80 如果每次电量的循环都在50 100 1C放 0 3C充 1800次后容量衰减到80 如果每次电量的循环都在25 75 3C放 0 3C充 1600次后容量衰减到80 锂离子电池正极材料的特性 常见电池分类 一次电池 不可充电电池 金属锂电池 锂锰电池 锂亚电池 锂铁电池 干电池 锌锰干电池 碱性锌锰电池二次电池 可充电电池 可充电电池 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锌空气电池 液态锂离子电池 聚合物锂离子电池其它电池 只能发电 不能储电 燃料电池 氢氧燃料电池 直接甲醇燃料电池 太阳能电池 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 非晶硅太阳能电池 光敏化学太阳能电池 锂电池技术背景 定义 锂电池的全称应该叫锂离子电池 简称LIB 在20世纪90年代初索尼公司将锂电池产业化 它以碳为负极 以含锂的化合物作正极 在充放电过程中 没有金属锂存在 只有锂离子 这就是锂离子电池名称的由来 2 内部结构 锂离子电池由正极 负极 电解液和隔膜等组成 正极 由含锂的过渡金属氧化物组成 常用的材料有钴酸锂 锰酸锂 三元材料和磷酸铁锂 负极 石墨 石墨化碳材料 改性石墨 石墨化中间相碳微粒 电解液 一种有机电解液 大部分是由六氟磷酸锂 LiPF6 加上有机溶剂配成 六氟磷酸锂由五氯化磷和溶解在无水氟化氢中的氟化锂反应结晶而成 隔膜 一种特殊的复合膜 它的功能是隔离正负极 阻止电子穿过 同时能够允许锂离子通过 从而完成在电化学充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输 目前主要是聚乙烯 PE 或者聚丙烯 PP 微孔膜 锂离子电池的分类 锂电池与其他二次电池的对比 锂电池与其他二次电池的对比 锂离子电池的工作原理 充电 放电 工作原理 当外部电源给电池充电 此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上 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 当电池放电时 机理与充电是刚好是相反的 以LiFePO4为例 其化学反应方程式为 锂离子电池的工作原理锂离子电池不能过充过放的原因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 也就是锂离子电池不能过放电 这就要严格限制放电终止最低电压 同时 根据锂离子工作原理最高充电应限制不能过充 否则会因正极材料中的Li离子拿走太多时 造成晶型瘫塌 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 枝晶锂简单来说 就是石墨中所嵌入的锂的含量超过了它所承受的范围 多余的锂离子就会和负极中穿梭而来的电子结合 在负极表面上开始沉积 在给电池充电的过程中 外界给予电池一个电压 使得正极材料内部的锂离子得以脱出进入电解液介质中 同样电解液中的锂离子会在外界电压差的条件下向碳层移动 由于石墨是具有层状通道的 锂便会进入通道与碳形成碳锂化合物 形成LiCx x 1 6 这类石墨层间化合物 枝晶锂是从负极表面向着隔膜的方向生长的 如果锂金属不断地沉积 最终会刺穿隔膜造成电池短路 引发电池安全问题 影响枝晶锂的形成因素主要有 负极表面的粗糙程度 锂离子浓度梯度 电流密度等 此外 SEI膜 电解液的种类 溶质浓度 正负极之间有效距离等都对枝晶锂的形成有一定影响 锂电池分类 聚合物锂电池和锂离子电池主要区别在电解质 锂离子电池的电解质是液态的 聚合物电池的电解质是胶体型 或者固态聚合物 聚合物锂电池的反应原理和锂离子电池一样 一般以软包的形式 形状可塑性强 锂离子电池一般做成圆柱形或者方形 从安全角度来讲 聚合物锂电池比锂离子电池更安全 锂离子电池正极材料的分类 钴酸锂正极材料目前用量最大最普遍的锂离子电池正极材料 其结构稳定 比容量高 综合性能突出 但是其安全性差 成本非常高 主要用于中小型号电芯 标称电压3 7V 锰酸锂正极材料一种成本低 安全性好的正极材料 但是其材料本身并不太稳定 容易分解产生气体 因此多用于和其它材料混合使用 以降低电芯成本 但其循环寿命衰减较快 容易发生鼓胀 寿命相对短 主要用于大中型号电芯 动力电池方面 其标称电压为3 8V 锂镍钴锰三元正极材料一种在容量与安全性方面比较均衡的材料 循环性能好于正常钴酸锂 前期由于技术原因其标称电压只有3 5 3 6V 在使用范围方面有所限制 但到目前 随着配方的不断改进和结构完善 电池的标称电压已达到3 7V 在容量上已经达到或超过钴酸锂水平 全球5大电芯品牌SANYO PANASONIC SONY LG SAMSUNG已推出三元材料的电芯 相当部分的笔记型电池线都用三元材料的电芯替换了之前的钴酸锂电芯 SANYO SAMSUNG柱式电池方面更是全面停产钴酸锂电芯转向三元电芯的制造 目前国内外小型的高倍率动力电池大部分使用三元正极材料 磷酸铁锂正极材料目前广受关注的一种新兴锂离子电池材料 其突出特点是安全性非常好 不会爆炸 循环性能非常优秀可达到2000次 这些特点使其非常适合电动汽车 电动工具等领域 其标称电压只有3 2 3 3V 因此其保护线路部分也与常用锂离子电池有所区别 但他的缺点也比较明显 能量密度远低于钴酸锂和三元材料 锂离子电池正极材料的特性 锂离子电池主要结构成分 正极材料 钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂 镍钴锰酸锂 镍钴酸锂等及其混合物 负极材料 人造石墨 改性天然石墨等 隔膜材料 聚乙烯薄膜 聚丙烯薄膜或两者的复合膜 电解液 EC PC DEC DMC EMC等溶剂和六氟磷酸锂配成的溶液 正负极端子 正负极耳 外壳 钢壳 铝壳 铝塑膜 圆柱形锂离子电池结构图 顶盖 安全阀 正极极耳 隔膜 负极 负极极耳 正极 绝缘垫 外壳 绝缘垫 密封圈 密封圈 负极壳 正极组合盖帽 正极铝极耳 白色上面垫 电芯 蓝色收尾胶纸 白色底垫 负极铜极耳 焊点 铜箔 负极石墨层 正极 负极 隔膜 锂离子电池正极 正极基体 铝箔 约 016mm厚 正极物质 LiFePO4 乙炔黑 PVDF 正极集流体 正极极耳 铝带 约0 1mm厚 高温胶带 约0 05mm厚 电池放电时从外电路获得电子的电极 此时电极发生还原反应 通常是电位高的电极 锂离子电池正极一般为钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂或三元镍钴锰酸锂电极 锂离子电池负极 负极基体 铜箔 约0 010mm厚 负极物质 石墨 乙炔黑 CMC SBR 负极集流体 负极极耳 镍带 约0 1mm厚 电池放电时向外电路输送电子的电极 此时电极发生氧化反应 通常是电位低的电极 锂离子电池负极一般为石墨电极 高温胶带 约0 05mm厚 正极材料 磷酸铁锂 磷酸铁锂 LiFePO4 简称LFP 也叫锂铁磷 电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池 其工作原理和锂离子电池是一样的 LiFePO4正确的化学式为LiMPO4 M可以是任何金属 如Fe Co Mn Ti等 其特色是不含贵重元素 原料价格低且磷 铁 锂在地球上的资源含量丰富 供料不会存在很大问题 除具有锂电池的共性特点外 还有一些特有的优点 比如其工作电压适中 3 2V 容量大 170mAh g 高放电功率 可快速充电且循环寿命长 高达2000次 在高温与高热环境下的稳定性高 磷酸铁锂工作原理图 宏观图 微观结构图 LiFePO4电池在充电时 正极中的锂离子Li 通过聚合物隔膜向负极迁移 在放电过程中 负极中的锂离子Li 通过隔膜向正极迁移 磷酸铁锂的特点分析 一 优点LiFePO4电池的标称电压是3 2V 稳定的放电平台 终止充电电压是3 6V 终止放电压是2 0V 比容量大 高效率输出 标准放电为2 5C 连续高电流放电可达10C 瞬间脉冲放电 10S 可达20C 3 工作温度范围宽广 20 75 高温时性能良好 外部温度65 时内部温度则高达95 电池放电结束时温度可达160 电池内部结构安全 完好 4 即使电池内部或外部受到伤害 电池不燃烧 不爆炸 安全性最好 5 极好的循环寿命 经500次循环 其放电容量仍大于95 实验室制备的磷酸铁锂单体电池在进行IC的循环测试时 循环寿命高达2000次 磷酸铁锂的特点分析 二 优点6 过放电到零伏也无损坏 零电压存放7天后电池无泄漏 性能良好 容量为100 存放30天后 无泄漏 性能良好 容量为98 存放30天后的电池再做3次充放电循环 容量又恢复到100 7 可快速充电 自放电少 无记忆效应 可大电流2C快速充放电 在专用充电器下 1 5C充电40分钟内即可使电池充满 起动电流可达2C 8 低成本 9 对环