锂离子电池工作原理

1 锂离子电池基础知识锂离子电池基础知识 锂是锂离子电池的核心 它是最轻的金属元素 金属锂的比重只有水的一半 铝是较轻的 金属 锂的比重只有铝的五分之一 锂的电负性是所有金属中最负的 锂离子的还原电位高达 3V 根据计算 1 克锂转化为锂离子时所能得到的电荷数为 3860mAh 加之它的大于 3V 的 工作电压 锂作为电池的负极材料当之无愧轻量级的大力士 早期负极为金属锂的 锂电池 但金属锂的化学活性太大 充电时产生的枝晶会使电池短 路 目前尚未真正解决其安全问题 经过长期的探索 研究 发现锂可与许多金属形成合金 其活性要小许多 更奇妙的是锂可以在许多层状结构的物质中可逆地嵌入和脱出 锂以这些材 料为载体就安全多了 锂离子电池的未来将发展新的正负极材料 如部分动力电池 负极 LiC 正极 LiMn2O4锂 聚合物电池 在正 负电极粘结剂 电解质三者中任何一种使用高分子聚合物的锂离子电池就 可以成为锂聚合物电池 现在常见的是使用高分子胶体取代常规液体电解质的锂聚合物电池 1 1 锂离子电池简介锂离子电池简介 正极采用锂化合物 LiXCoO2 LiXNiO2 LiFePO4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 充电池时充电池时 此时正极上的电子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 Li 从正极脱嵌 经过电解质嵌入负极 负极处于富锂状态 负极处于富锂状态 放电有恒流放电和恒阻放电 恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的 可变电阻 恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过 由此可知 只要负极 上的电子不能从负极跑到正极 电池就不会放电 电子和 Li 都是同时行动的 方向相同但 路不同 放电时 电子从负极经过电子导体跑到正极 锂离子 Li 从负极 跳进 电解液里 爬过 隔膜上弯弯曲曲的小洞 游泳 到达正极 与早就跑过来的电子结合在一起 离子电池又称为 摇椅电池 是指以可供锂离子嵌入脱嵌的物质作为正 负极的二次电 池 电解质一般采用溶解有锂盐的有机溶液电解质一般采用溶解有锂盐的有机溶液 根据所用电解质的状态 可分为液态锂离子电 池 聚合物锂离子电池和全固态锂离子电池 1 2 锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理 1 锂离子电池电化学反应机理锂离子电池电化学反应机理 一个锂离子电池主要由正极 负极 电解液及隔膜组成 外加正负极引线 安全阀 PTC 正温度控制端子 电池壳等 虽然锂离子电池种类繁多 但其工作原理大致相同 充 电时 锂离子从正极材料中脱嵌 经过隔膜和电解液 嵌入到负极材料中 放电以相反过程进 行 以典型的液态锂离子为例 当以石墨为负极材料 以LiCoO2为正极材料时 其充放电原理 为 正极反应 LiCoO2 Li1 xCoO2 xLi xe 负极反应 6C xLi xe LixC6 电池总反应 LiCoO2 6C Li1 xCoO2 LixC6 放电时发生上述反应的逆反应 充电时 Li 从LiCoO2中发生脱嵌 释放一个电子 C3 被氧化为C4 与此同时 Li 经过 隔膜和电解液迁移到负极石墨表面 进而插入到石墨结构中 石墨结构同时得到一个电子 形 成锂 碳层间化合物LixC6 放电时过程则相反 Li 从石墨结构脱插 嵌入到正极LiCoO2中 2 锂离子电池的优点 锂离子电池的优点 能量密度高 输出功率大 平均输出电压高 约3 6V 为Ni Cd Ni MH电池的三倍 工作温度范围宽 一般能在 20 45 期望值为 40 70 无记忆效应 可快速充放电 充放电效率高 可达100 没有环境污染 称为绿色电池 使用寿命长 可达1200次左右 3 锂离子电池结构 锂离子电池结构 正极正极 正极基体 铝箔 约0 016mm厚 正极物质 LiFePO4 碳黑 PVDF 正极集流体 铝带 约0 1mm厚 高温胶带 约0 05mm厚 负极负极 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 07mm厚 隔膜 隔膜 放置于两极之间 作为隔离电极的装置 藉以避免两极上的活性物质直接接触而造成 电池内部的短路 但隔膜仍需能让带电离子通过 以形成通路 要求 要求 离子透过度大 机械性强度适当 本身为绝缘体 不与电解液及电极发生反 应 材料 材料 单层 PE 聚乙烯 或者三层复合 PP 聚丙烯 PE PP 厚度厚度 单层一般为 0 016 0 020mm 三层一般为 0 020 0 025mm 电解液电解液 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 cm3 1 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 5 ms cm 2 锂离子电池生产工艺流程锂离子电池生产工艺流程 圆柱型锂离子电池的制造工艺流程圆柱型锂离子电池的制造工艺流程 正极配料 来料检验 负极配料 正极涂布 负极涂布 正极制片 负极制片 隔 膜 卷 绕入 壳 烘 烤 短路检验 滚 槽注液封 口化 成 密封性检验 分 容外包装出 厂 出厂检验 湿度控制 3 锂离子电池生产用的主要设备锂离子电池生产用的主要设备 1 真空行星搅拌机 真空行星搅拌机 将各种电池材料均匀的搅拌成浆状 2 电极涂布机 电极涂布机 搅拌后的浆料均匀涂膜在金属箔片上 对浆料的涂布厚度精确到3微米以 下 3 辊压机 辊压机 涂布后的极片进一步压实 提高电池的能量密度 4 极片分切设备 极片分切设备 5 5 全自动超声焊接导电柄设备 全自动超声焊接导电柄设备 6 6 卷绕机 卷绕机 将制造好的极片卷绕成电池 7 7 手套箱 手套箱 保证在低湿度环境下将电解液与卷芯封装在一起 负极配料 正极涂布负极涂布 正极制片负极制片 正极焊片 负极焊片裁隔膜 正极配料 正极 隔膜 负极 全检 吸尘 一测短路 压芯 包底 放绝缘 片 包顶 入壳 二测短 路 激光焊 烘烤脱 气 高温老 化 注电 解液 预充 压钢珠清洗 常温搁置分容 出货检验 贴面垫 包装 测内阻 测厚度 出货 客户 8 注液机 注液机 保证高精度的流水化将电解液真空注入电池包装材料内 9 焊接设备 焊接设备 10 滚槽 封装设备滚槽 封装设备 11 化成测试设备化成测试设备 将做好的电池充电活化 产生电压 同时测试电池的容量 4 4 锂离子电池的命名锂离子电池的命名 1 1 圆柱形的命名圆柱形的命名 用三个字母和 5 位数字来表示 前两个字母表示锂离子电池 LI 后一个字母表示圆柱形 R 前两位数字表示以 mm 为单位的最大直径 后三位数字表示以 0 lmm 为单位的最大高度 如 LIR18500 即表示直径为 18mm 高 50mm 的圆柱形锂离子电池 2 2 方形的命名方形的命名 用三个字母和6位数字来表示 前两个字母表示锂离子电池 LI 后一个字母表示方形 S 前两位数字表示以mm为单位的最大厚度 中间两位数字表示以mm为单位的宽度 后两位数字以 mm为单位的最大高度 如LIS043048即表示厚度为4mm 宽30mm 高48mm的方形锂离子电池 5 5 锂离子电池性能锂离子电池性能 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 5 15 1 容量容量 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 5 25 2 电压电压 开路电压 电池在开路状态下的端电压 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 电池接通负载后在放电过程中显示的电压 又称放电电压 初始电压 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 5 35 3 内阻内阻 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 45 4 循环寿命循环寿命 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 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 300 500 次 行业标准 最高可达 1000 次 以上 6 6 电池不良项目及成因电池不良项目及成因 1 容量低产生原因 容量低产生原因 a 附料量偏少 b 极片两面附料量相差较大 c 极片断裂 d 电解液少 e 电解液电导率低 f 正极与负极配片未配好 偏轻 g 隔膜孔隙率小 h 胶粘剂老化 高温 附料脱落 i 卷芯超厚 极片压片厚度过大 未烘干或电解液未渗透 j 分容时未充满电 k 正负极材料比容量小 2 内阻高产生原因 内阻高产生原因 a 负极片与极耳虚焊 假焊 b 正极片与极耳虚焊 假焊 c 正极耳与盖帽虚焊 假焊 d 负极耳与壳虚焊 假焊 e 铆钉与压板接触内阻大 f 正极未加导电剂 g 电解液锂盐分解 h 电池曾经发生短路 i 隔膜纸孔隙率小 3 电压低产生原因 电压低产生原因 a 副反应 电解液分解 正极有杂质 有水 b 未化成好 SEI 膜未形成安全 c 客户的线路板漏电 指客户加工后送回的电芯 d 客户未按要求点焊 客户加工后的电芯 e 毛刺 粉尘 f 微短路 g 负极界面产生枝晶 4 变形量过大的原因有以下几点变形量过大的原因有以下几点 a 焊缝漏气 b 电解液过少 c 未烘干水分 d 盖帽密封性差 e 壳壁太厚 f 壳太厚 g 卷芯太厚 附料太多 极片未压实 隔膜太厚 5 起鼓成因有以下几点起鼓成因有以下几点 a 未化成好 SEI 膜不完整 致密 b 烘烤温度过高 粘合剂老化 脱料 c 负极比容量低 d 正极附料多而负极附料少 e 盖帽漏气 焊缝漏气 f 电解液分解 电导率降低 g 电池制作过程吸水 6 爆炸爆炸 a 分容柜有故障 造成过充 b 隔膜闭合效应差 c 内部短路 d 外部短路 7 短路短路 a 料尘 b 装壳时装破 c 卷绕不齐 隔膜纸太小或未垫好 d 包胶不良 e 隔膜有洞 f 毛刺 8 断路断路 a 极耳与铆钉未焊好 或者有效焊点面积小 完成脱落 b 连接片断裂 连接片太短或与极片点焊时焊得太靠下 锂电池的使用和保护锂电池的使用和保护 1 负极枝晶效应负极枝晶效应 Lithium Dendrides 在充电的过程中 Li 从正极 LiCoO2 中脱出 进入电解液 在充电器附加的外电场作用 下向负极移动 依次进入石墨或焦炭 C 组成的负极 在那儿形成 LiC 化合物 如果充电速度 过快 会使得 Li 来不及进入负极栅格 在负极附近的电解液中就会聚集 Li 这些靠近碳 C 负极的 Li 很可能从负极俘获一个电子成为金属 Li 持续的金属锂生成会在负极附近堆积 长 大成树枝状的晶体 俗称枝晶 另一种情形 随着负极的充满程度越高 LiC 晶格留下的空格 越少 从正极移动过来的 Li 找到空格的机会就困难 时间就越长 如果充电速度不变的话 一样可能在负极表面形成局部的 Li 堆积 因此 在充电的后半段必须逐步缩小充电电流 枝晶的长大会刺破正负级之间的隔膜 形成短路 可以想象 充电的速度越快越危险 充 电终止的电压越高也就越危险 充电的时间越长也越危险 由前所述 锂离子电池的电压过高或者过低都会造成严重问题 根据实际使用情况 划分了锂离子电池电压的几个区域 不同的电芯制造商虽有区别但区别不大 高压危险区 保护线路过充保护电压 4 275 4 35V 高压警戒区 锂离子电池充电限制电压 4 20V 正常使用区 锂离子电池放电终止电压 2 75 3 00V 低压警戒区 保护线路过放保护电压 2 3 2 5V 2 锂电池的保护电路锂电池的保护电路 一次保护 提供过压 欠压 过流等可恢复通断管理 由于外部 MOSFET 的温度不能提供给保护 IC 而且导通电阻的大小有很大的离散性 使得 过流和短路检测的精度受到限制 二次保护 提供不可恢复的过压或过温度关断 一次保护 IC MOSFET 可以实现功能 1 过充保护 当电芯的电压超过设定值时 保护 IC 切断右边的 MOSFET 电芯电压回归到允许的电压 MOSFET 恢复导通 典型过充检测电压 4 275V 0 025V 电芯电压一超过这个值 就触发过充保护 典型过充释放电压 4 175V 0 030V 处于过充保护的电芯电压降到这个值时才会停止保护 2 过放保护 当电芯的电压低于设定值时 由保护 IC 切断左边的 OSFET 等电芯电压回归到允许的电压 时 恢复 MOSFET 的导通 典型过放检测电压 2 3V 0 08V 典型过放释放电压 2 4V 3 过流保护 当工作电流超出设定值时 保护 IC 切断 MOSFET 管 等工作电流回归到允许的电压 MOSFET 恢复导通 保护 IC 判断电流流过 MOSFET