锂电池培训资料.doc

锂电池培训资料9 8 ! Q% _6 P$ u1 i2 T* S( r& B9 ?2 k& s* T+ ?: g2 l$ F p2 b- f+ b一、电池基础二、锂离子电池基础三、锂电池的安全四、保护板BMS具体功能介绍.五、锂离子电池的储藏和运输3 8 O P# A5 C1 a& I一、电池基础1、电池的发展简史：公元前100公元100年 电池原形17801791发明伽尼尔电池+ Z9 . JM w# r, K1800年伏特发明电池1833年发现法拉第法则 $ C2 D0 Q2 U d k3 j+ t! l1836年发明丹尼尔电池,1859年发明铅酸电池1 n a8 n6 d6 |: G4 e( U2 n1868年发明干电池1899年发明Ni-Cd蓄电池 # S3 y5 k4 ?8 y! L! k5 T1901年发明Ni/Fe电池0 C* 0 N% e + k2 e1951年发明密封Ni-Cd电池7 R) G7 s1 ?8 |( r/ |6 Q% z1990年发明锂离子电池, _2 J! Q! s$ k8 x( q1995年发明聚合物电解质锂离子电池# l/ e/ Z; z, R, L& k) w5 Y, G- s8 q9 H6 ( w, 5 P2、电池的要素和组成：+ W7 s, S/ I1 y4 / h: w5 电极0 R9 U yy6 , B8 T7 L x 负极：通常将电池电极中电压较低的一极称为负极; S& VP& x! y, h 正极：通常将电池电极中电压较高的一极称为正极5 _) f4 IQ& N I! l隔膜：在电池中，防止正负极间电子导通，而又能让离子通过（离子传导）的隔离材料，一般为多孔薄膜材% w$ I1 y! % K$ Z/ U2 e料- h4 ?$ x+ Z7 v1 R9 - b电解质溶液（电液）：在电池内正负极间提供离子传输作用8 ? s# ( y( W/ P- o% T3 x其他构件：如外壳，极柱，密封件等. Y9 OF7 f, v# h9 h1 j2 o$ j) C8 V; - b3、电池的分类7 N5 w: G, b+ V! 6 F$ x7 m6 |( g# ) M4 t* I一次电池（干电池） 0 u. z/ S) Q. N4 K二次电池（充电电池或蓄电池）: a. 9 E8 v& 铅酸电池* 4 m5 h9 h! c- A& 4 r( 0 W% B F- L镍镉电池7 i2 F2 b; s% q% R镍氢电池* e; y4 y! A$ 6 $ d锂离子电池 U0 n3 I; L. l _+ P) ?4 i 液态锂离子电池* # P6 * W/ G0 m$ n: d 聚合物态锂离子电池8 & h& u W- % t( V! T% o2 e* S; l5 H9 j7 g. t另外还有燃料电池、太阳能电池等等8 ! Z& i# J, D/ E! t( |$ q8 Z$ Q$ a! M6 d0 k) f4、常见可充电电池性能比较：* M5 h L# |5 M; b* 组成 电池 能量密度 & p! h1 5 e, T7 M: x电池体系 负极电解液 正极 环保性能 电压（V）Wh/kg Wh/L 充电循环 自放电率) B% Y) e9 P: X( a% x锂离子电池 碳 LiPF6 LiMn2O4或绿色环保 3.6 130-150 350-400 1000 8%0 ; F1 M# ?/ 9 ! I LiCoO2 ? d, L% Q0 h a( _9 U8 铅酸电池 Pb H2SO4 PbO2 铅污染严重 2.0 30-5050-80 300-500 20%0 ?+ E9 r$ S! F/ f* v, v g镍镉电池 Cd KOH NiOOH 镉污染严重 1.2 50-60130-150 400-600 25%7 w H 4 L G镍氢电池 储氢 KOH NiOOH 环保 1.2 60-70190-200 500 10% ) M; 4 - ?- Y _& K1 i# I 材料 % u( |* 3 F0 S, V( A, Q/ C- n7 L s+ : U% S+ R5 J二、锂离子电池基础/ n, k/ j$ ) & _ H O& X5 s9 R$ E# C* B& C1、锂离子电池的“前世今生” ：锂离子电池是20世纪90年代开发成功的新型高能电池。2 G6 l1 i& i. C6 I1 l, z5 l2 A锂离子电池的“前世”：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, h3 E$ n6 F0 M( P# x9 s: a会使电池短路，目前尚未真正解决其安全问题。x- 7锂离子电池的“今生”：锂离子电池名称开始于日本企业，针对含金属锂负极的锂二次电池 而言，1991年- Q6 V0 q3 o/ o% 0 o- W- u由索尼公司率先实现商业化。采用可嵌锂碳材料为负极，正极采用含锂的 过渡金属氧化物，利用溶有锂盐6 M, S6 S l8 E% |非水溶剂作为电介质。 5 ! d7 p! y7 $ T r22、2锂离子电池的优点和缺点：3/ X: i Z3 g- Q$ P ! Z锂离子电池重量轻、体积小，寿命长，没有记忆效应，具备良好的温度特性，同时由于没有重金属污染、没有毒性物质，是新一代环保型绿色电池。被业界称之为“终极电池”$ * X0 / N! * i- LZ% m 锂离子 铅酸 镍镉 镍氢% W* N* Y, Z; P5 j8 F重量 5 1 1 34 J5 u5 N5 P6 A/ C/ 寿命 5 2 3 4 S4 g$ |. L1 z环保 5 2 1 55 F0 K, g9 记忆 5 3 1 3# K8 0 | y. o7 V, w温度特性 5 2 3 34 G* Y% K7 d! U1 W3 I7 y5 q1 Br! N) x: K5 a6 C缺点：锂离子电池价格相对昂贵，发展时间短，制造工艺的成熟性不如铅酸，镍镉及镍氢电池，但随时间的推, G! Hg, k( d移，锂离子电池的制造工艺会越来越成熟，价格也会逐渐降低。+ : z: q+ W1 8 P6 y- b. G, q% e0 D s. G5、液态锂离子电池与聚合物锂离子电池的异同：2 p1 v9 z3 x1 j6 v7 F0 I! o5 d9 u7 7 b相同点：正负极活性物质相同X: K7 _8 r$ E& W% f! d% o2 f3 S$ 电池工作原理相同) m& G0 l& b* 5 9 l G% , l2 s 单体电池工作电压相同I. U/ j: i, j1 M. E) # o7 . t( t+ S) S, m不同点：液态锂离子电池的电解液是液态的有机电解液，聚合物锂离子电池的电解质是将液态的有机电解液6 v/ T4 H7 m ; ; d3 M吸附在一种聚合物基质上，所以被称为凝胶聚合物电解质。; T4 U8 d% P; O i9 X8 Z# R+ e- N, L优缺点比较：液态锂离子电池的功率较聚合物锂离子电池大的多，反映在电动自行车上，液态比聚合物有更# Z+ A E) 1 L0 W强的爬坡能力；液态锂离子电池的价格较聚合物锂离子电池便宜。聚合物锂离子电池由于不存在游离的电解液4 z+ s- u0 I* q- j，不存在漏液的情况。4 Z: c& x% X T$ H9 4 _6 u$ h- k* Y; z6、液态软包装、凝胶聚合物和液态锂离子电池的安全性：6 $ f% - T5 p( Y. |; 7 ! f) x: o8 : G X7 u3 G目前市场上大量出现的是液态软包装电池，液态软包装电池内部电化学体系和金属壳包装电池一样。 e( Z4 k, 5 9 * w1 D9 m& I7 G. g) ES0 E优缺点比较：采用液体电解液，因此在大电流放电等性能上也不错。由于采用软包装，包装较易损坏，在一8 D% ?$ B! W: M2 z3 U些振动频繁的应用领域，如电动自行车等，需要谨慎。e0 t) G- P2 Z. u: W* v7 v- v+ p/ 7 r M0 4 k 金属壳液态 液态软包装 凝胶型7 ? U! a8 _ M b, N电解液 液态 液态 凝胶态3 B) L3 _2 P5 y* Z* H3 B包装 金属 铝塑膜 铝塑膜& P4 8 j9 A; o! W8 |2 h( 5 放电能力 很好 很好 差0 A. i3 P. r4 l9 Z% 1 y/ k$ J9 L; u# r+ 0 G v! F( N/ 安全性：锂离子电池的安全性需要从正极材料入手，光靠更换软包装无法从根本上解决。软包装的电池如果爆3 ?* n- A! ! G: W7 q, $ f/ t* P炸，不存在金属物射出物，然仍无法解决燃烧等危险。从电极材料和电解液入手，才是解决锂离子电池安全性2 s J0 u m% x的根本途径。/ k8 E. g* U2 p0 k4 $ l: z& Q( j& l; A0 % v7、电池的一致性问题：# d& j, A4 o4 x7 h( ?1 * nKM/ t: S! x4 P# d, fC单体电池不存在一致性问题，一致性问题主要集中在电池组中，影响电池组一致性的主要因素是电池的自放电4 t* w$ B% T5 # h% g、内阻、电池中电池的数量、有无均衡线路等。同样容量和电压的电池组，锂离子电池数量越少，对一致性要$ O$ 9 t: k; v4 k求越低。. A7 h. C( K# L) ?. s5 2 I1 C* ; b5 e, / bs; H% $ l) U8、镍氢（Ni/MH）电池的简介：+ / a4 f* QS$ b/ W* e2 W! N8 y( Y7 5 NL: u镍氢电池的工作电压为1.2V，无铅酸，镉镍电池的重金属污染问题，也属于绿色环保型电池，但与锂离子电池1 & _9 % n5 p( G* n相比，镍氢电池的工作电压只有锂离子电池的1/3，同样一个电池镍氢电池需要的单体电池的数量是锂离子电4 ! e2 g: a n/ B; _. I& F池的3倍，重量是锂离子电池的2倍左右，循环寿命也比锂离子电池短。另外镍氢电池充电过程中发热严重，无3 z3 s0 * U3 z; m3 0 P2 F法长期在高温调节下使用。低温性能不如锂离子电池，高倍率放电性能不如镉镍电池和锂离子电池，而价格与6 u. R) _& b; L: o) W/ Zm锂离子电池相差无几。所以镍氢电池虽然发展时间较长，但其发展的速度和潜力已远远落后于锂离子电池。1 K- m9 W$ q8 I2 f% g4 9、几种锂离子电池正极材料的综合比较1 $ f, T( a8 N# 7 1 |5 f7 r6 m8 V/ q 钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂 镍钴锰酸锂/3元( j% . _ Z* S+ K0 O7 ?2 H耐过充 , X4 f) b. XN1 U- i2 Q( ; s! Zx! W2 C0 : U氧化性 很强 一般 弱 强: O* l. V6 p/ |9 0 R) K4 o2 A% p& g$ tQ9 p+ d0 g : d过充极限 0.5C/6V3C/10V 3C/10V 0.5C/6Vr- , RF$ % X q H8 D8 ( v M, rg; k8 r: n% r* j安全性 很不安全 安全性能好 安全性能好 不安全6 m9 y! d+ tM4 z7 / Q4 ( A: K/ Q% Y安全容量 1Ah 1030Ah 可达100Ah /+ E- x$ ( c0 h0 Y( F + |9 ) O. z3 F1 S大功率能力 好 很好 很好 /6 V- d: ?; - Y! N Q* u. s , Q; i i! q& 4 B?+ b价格 昂贵 低廉 低廉 一般 4 a# A9 O2 Y: G3 G) Y s- l: E: a9 j: t2 x# J, 9 T$ 三、锂电池的安全- ) f S- N; S- S# e9 w b- ?9 t0 Q% ?4 g1 ?b单体电池的安全测试项目及测试方法- ?& g9 N/ q6 A% B$ F3 ) v4 / t% T% E$ n测试项目 测试条件 测试要求 电池数目 测试标准, a+ w9 q5 L) G( X. P G2 b- e7 P) X撞击 平面9.1KG重物，0.61m高度， 3个1 n y1 k, |4 * d! . W; y 侧面直 径15.8mm 的 钢棒。 不起火，不爆炸 3个 UL; h% o7 ; E, Y4 X n3 , l . w y# V/ F5 k% K) P挤压 平面 挤压力 13KN 不起火，不爆炸 3个 UL; x* y$ - C F) r 侧面 3个 D( U( d# R+ # D4 p2 H5 w高温 150，10min& T9 A. $ i. n% y9 M6 b （温升5 /min) 不起火，不爆炸 5个 UL9 , |$ 7 S7 d5 n9 - d$ 6 n# y B! v) z - n过充 30A,10V 不起火，不爆炸 5个 UL5 X, Y3 d( _ e9 i& Y短路 电阻小于100m 不起火，不爆炸 5个 UL8 N e4 j3 r n# a& F5 / s针刺 5mm的钢钉从垂直于极板的8 f2 z# iT F1 f/ U# + s. K2 b* P 方向贯穿（钢针停留在电池中）不起火，不爆炸 5个 企标0 b8 & R9 ) ?0 X w+ T& F2 G4 K# E9 t) K2 ! S3 ?) q 四、保护板BMS具体功能介绍 z! U( S6 Q1 z! u: G2 % P2 J1 N) i9 F保护板BMS（Battery Management System）有5大功能：* 7 z/ V. Y- m( U& LO& N) B6 j9 F7 l, J, 1、过充（过压）保护6 F1 ) n U8 V 因为锂电池是很“脆弱”的电池，所以不能造成过充。锰酸锂是在4.2v保护，磷酸铁锂是在3.6v左右（具- t/ K5 B3 F: Ev: a! C; j体可参考供应商规格书）；1 I5 Q, % o, W8 M0 9 1 s5 |$ . V9 u0 P. T 造成过充时，一般保护板会有恢复功能。比如一块锰酸锂电池保护板设置的过充保护是4.25v，当过充时，: o# y: * C# / X) b+ ?保护板保护，停止充电，当电压降至4.15v时，才能恢复充电动作。- D7 B& S+ h+ z) H b; Y; x4 a5 a5 W* i2、过放（欠压）保护. B h8 E+ 3 S& O1 A a/ X) / h5 b0 k/ c) 因为锂电池是很“脆弱”的电池，所以不能造成过放。锰酸锂是在2.7v或3.0v保护，磷酸铁锂是在2.3v左 o* G. P! m s d9 K. u右（具体可参考供应商规格书）；- A2 G8 H( s+ M4 J, t: |& S; M4 R; O: S 造成过放时，一般保护板会有恢复功能。比如一块锰酸锂电池保护板设置的过放保护是3.0v，当过放时，% C9 F) T2 F# J4 c保护板保护，停止放电，当电压升至3.1v时，才能恢复放电动作。! s* g; ) b9 z8 9 H+ R: b$ b4 k( m8 Z Y D- 3、过流保护5 x- _; m5 6 Q# 9 u1 l- k# m. o! b. b# G# I! v( f: U 当放电电流或者瞬间放电电流超过电池本身所能承受的电流时，BMS会停止放电动作。3 y# s% c$ x m8 V x# f- H9 c7 S4 C; f( j 一般恢复过流保护有2个办法。一是断开负载，重新连接电池与负载；一是更换烧坏掉的保险丝。具体看每% b. E a5 d. s X个厂家的产品是如何设置。8 P: r3 o4 o5 I+ z& H2 d j2 w 3 & Z! S- b. s5 p9 c 一般BMS会设置一个例如 30A/8ms（30安培 8毫秒）的峰值电流保护参数。就是说：当电流大于30A并且时- J6 G$ 1 J7 _间大于8ms时，过流保护会动作。假如是50A3ms，那么过流保护不会动作，4 X0 d# l l+ L( & b1 W5 | # K% X( R9 q! u3 H0 d 这对带电机类的负载是非常适合的，因为一些负载在起动时会有一个非常大的脉冲/峰值电流，只要这个电* b( K: X: k) jI0 D* n# U流能过去，正常工作就不是问题了。所以有时候电池带电机类负载会不工作，很大一个原因是因为BMS上的脉0 ! ) 1 6 P& R1 l5 A冲/峰值电流给挡掉了，而不是电池出了问题。; P s3 R% H5 ; O! Z5 A& o1 $ R$ K/ B6 J （测量这个电流需要示波器，很多业务不好展开就是这个电流没有测量到。我们测过一个Trimmer的峰值电流有90A，很高，相对这样大的电流，做BMS就是一个很高的要求）. % 8 4 n; S5 d1 n8 u, t3 9 G2 S2 dW) U4、过温保护: tX/ H4 l2 g1 k) F1 W& n h: z# c: r6 U 锂电池在所规定的温度范围里是可以正常工作的，当超过所规定的温度范围，BMS会停止放电动作以保护电池，一般此功能为可选功能。 r4 E2 O0 h7 T! B% H+ a/ 9 |! Z) J9 Y0 D8 G; m5、均衡功能/ # k, Z p4 u# ud, B4 r% C2 J% ws 因为电芯一致性的问题，串并联的电芯越多，一致性问题越突出，电池组的性能会越不好。使用时间长了，每个电芯的电压容量内阻会有所差别，会降低整体电池的性能和寿命。有了均衡功能，可尽可能充满每个电芯的容量，降低每个电芯的差别，提高整体电池的性能和寿命。i1 g! 1 h N* g7 a, N k- V6 0 j8 Mf 目前都在用的是“电阻放电法”，即给电池组中先充满电的电芯放电，让没充满电的电芯继续充电，当每个电芯都充满电了，整组电池才停