动力锂电池基础知识

1,动力锂电池知识培训,美思锂电技术部 2011-10-9,2,一、锂离子电池的发展简史,锂离子电池的研究始于20世纪80年代,3,二、锂离子电池的工作原理,锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池，锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极是碳。锂离子电池工作原理即充放电原理：当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在锂电池的,4,充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。锂电池就象一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅两端来回奔跑，人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”， 俗称“锂电”。,二、锂离子电池的工作原理,5,锂离子电池工作原理图,6,锂离子电池的放电曲线,7,三、锂离子电芯的组成结构,锂离子电池一般由以下几部分组成：1.电芯，电池能够充放电的主体部分；2.保护电路，电池的保护线路；3.PTC，热温度系数保险丝；4.外壳，电池的容器；5.标签；6.连接器；7.镍带；8.高温绝缘胶纸；9.导线；10.热缩管；11.PVC套；12.NTC；13.识别电阻等等。,8,三、锂离子电芯的组成结构,1.锂离子电芯的正极锂离子电芯主要由：正极、负极、隔膜纸、电解液、外壳等部分组成。正极制造之前应有工程部提供物料清单，生产部门根据物料清单、作业指导书等文件准备好所需生产物料2.锂离子电芯的外壳 常用的锂离子电芯外壳有钢壳、铝壳、铝塑膜等。钢壳电芯价格便宜，容易点焊加工，缺点是重量重,容量低；铝壳电芯具有良好的韧性，质量轻，比能量比功率大；铝塑膜主要用于聚合物电芯，质量最轻。,9,三、锂离子电芯结构图,10,四、锂离子电池性能指标,2.1电池的内阻2.2电池的开路电压和工作电压2.3电池的容量与比容量2.4电池的能量与比能量2.5电池的功率与比功率2.6电池的充放电倍率,时率2.7电池自放电率2.8电池放电平台2.9电池的循环寿命,11,相关名词解释,电池的内阻：指电流通过电池时所受到的阻力。电池的开路电压：指外线路中没有电流通过时，电池两极之间的电位差。电池的工作电压：指有电流流过外线路时，电池两极之间的电位差。电池的容量：在一定的放电条件下可以从电池获得的电量。电池的比容量：为了对不同电池进行比较，引入了单位体积或单位重量的电池所给出的容量这一概念，称之为体积比容量重量比容量。电池的能量：电池在一定放电条件下对外做功所输出的电能，在数值上等于电池实际容量与平均工作电压的乘积。（W=C*V平）电池的比能量：指单位体积或单位重量的电池所给出的能量，也称能量密度。电池的功率：指电池在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量。电池的比功率：指单位质量或单位体积电池输出的功率。表示电池承受工作电流的大小。循环寿命：可充电池经历一次充放电，称为一个周期。在一定的放电制度下，电池容量降至规定值之前，电池所经受的循环次数，称使用周期。,12,四、锂离子电池性能指标,1、内阻,是指电池中离子、电子在导体中运动的阻力。包括欧姆电阻和极化电阻。欧姆电阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻以及各零部件接触电阻。极化电阻是指电化学反应极化引起的电阻，包括电化学极化和浓差极化。 欧姆电阻也称物理电阻，极化电阻也称化学电阻。,内阻测试仪,13,四、锂离子电池性能指标,讨论:欧姆电阻的构成,1)活性物质与铜箔/铝箔的接触2)极耳焊接3)铆钉制作时的各零部件的接触电阻4)电解液的电阻5)隔膜的电阻6)电池外界各物理焊接的电阻7)各导体的本身电阻,14,四、锂离子电池性能指标,2、电池电压2.1开路电压 指外界没有电流流过时正、负极两端的电位差。2.2工作电压 指有电流通过外电路时,正、负极两端的电位差，也称放电电压。,15,四、锂离子电池性能指标（以软包电池为例）,60,-20,25,-10,充电电压曲线图,不同温度放电电压曲线,16,四、锂离子电池性能指标,讨论：开路电压与工作电压,1）从定义上区别：A：外电路是否开通；B：开路电压是一定的值，工作电压是变化的？；2）从实际效果区别：工作电压开路电压？,17,四、锂离子电池性能指标,3、电池容量（C）与比容量,容量指电池在一定放电条件下从电池中获得的电量 ，电池放电的容量有额定容量和实际容量之分，电池的额定容量是指电池在环境温度为205条件下，以5h率放电至终止电压时所应提供的电量，用C5表示，常用的为恒流放电。C=I*t。国标的标称容量采用0.2C放电外界获得的电量。行业称呼的容量往往指1C放电。电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。容量常见单位有：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。,18,四、锂离子电池性能指标（以软包电池为例）,充电曲线图,放电曲线图,19,四、锂离子电池性能指标,讨论：影响电池容量的因素,影响电池容量的因素主要有两个方面：一是活性物质的重量；二是活性物质的利用率。活性物质的利用率包括A、活性物质的活性：残余电化学反应的能力，与其晶形结构、制造方法和含杂质多少有关；B、电极和电池的结构：成型方法、极板孔径、厚度、真实表面积大小；C、电解液的组成；D、制造工艺；E、放电制度（T放、I放、V终）,20,四、锂离子电池性能指标,3.1锂离子电池比容量,是指单位质量或单位体积所给出的电量，分别称为质量比容量Cm或体积比容量Cv。 计算公式： Cm =C/m（Ah/kg） Cv =C/v（Ah/m3）,小结：电池工作时通过正、负极的电量是相等的.为防止电池短路，负极的理论电量大于正极电量。,21,四、锂离子电池性能指标,4、锂离子电池能量与比能量,锂离子电池的能量：电池在一定放电条件下对外做功所输出的电能，在数值上等于电池实际容量与平均工作电压的乘积。（W=C*V平）,锂离子电池的比能量：指单位体积或单位重量的电池所给出的能量，也称能量密度。,22,四、锂离子电池性能指标,5、锂离子电池功率与比功率,锂离子电池的功率：指电池在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量。,锂离子电池的比功率：指单位质量或单位体积电池输出的功率。表示电池承受工作电流的大小。,23,四、锂离子电池性能指标,6、锂离子电池（充放电）倍率，时率,n倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为10000mAh，则10A为1C（1倍率），5A则为0.5C，50A为5C，以此类推。n时率又称小时率，是指电池以一定的电流放完其额定容量所需的小时数。如电池的额定容量为600mAh，以600mA的电流放完其额定容量需1小时，故称600mA的电流为1小时率，以此类推。,24,四、锂离子电池性能指标（以软包电池为例）,25,四、锂离子电池性能指标,讨论:倍率充放电应该是那些领域中的要求?,1) 动力电池，比如电动汽车2）航模、车模电池3）电动工具电池,26,四、锂离子电池性能指标（以软包电池为例）,7、电池自放电率,n 电池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：电池100%充满电开路搁置后，一定程度的自放电属于正常现象。在GB标准规定锂电池充电后在202条件下开路搁置28天，可允许电池有的容量损失。,27,四、锂离子电池性能指标（以软包电池为例）,8、电池放电平台,n 电池放电平台是指在电池任何倍率的电流下恒压充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.01C时停止充电即充满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间。n因一般使用锂离子电池的用电器的工作电压都要求在3.6V以上，如果低于这个值，则会出现无法工作的情况。所以放电平台是衡量电池性能好坏的重要标准之一。,28,四、锂离子电池性能指标（以软包电池为例）,9、电池循环寿命,在一定的充放电制度下，电池容量降到规定值时，电池所经受的循环次数。行业中也称为循环。 说明：规定值：指大于初始容量的60%。,29,四、锂离子电池性能指标（以软包电池为例）,30,四、锂离子电池性能指标（以软包电池为例）,讨论：影响锂离子电池循环寿命的因素,1）充放电制度2）活性物质的结构稳定性3）电解液量的多少4）生产中极片的厚度均匀性5）电池本身结构,31,四、锂离子电池性能指标,讨论：什么是电池过充，电池过充带来的后果，如何避免？,理论上，Li-ion电池在一定倍率的恒流恒压下充电，当充电转换为恒压4.02V充电后，充电电路中电流为0.01C时，恒压充电的状态仍在进行，即被视为过充。 过充可能导致漏液、变形、起火、在恒压失效后随着充电的加深电压达到一定程度(一般限值为6.0V)会引起爆炸，是损害电池性能的主要原因之一。 在电池外部加PCB板保护，或在充电器中设置保护线路和/或时限装置（即充电限2.5小时)来防止电池过充可以达到防止和保护的作用。,32,四、锂离子电池性能指标,讨论：什么是电池过放，电池过放带来的后果，如何避免？,n电池在一定倍率下恒流放电，当电池电压达到2.75V时，放电状态仍在继续，即为过放。n过放可能导致漏液、零电压以及负电压，是损害电池性能的主要原因之一。n在电池外部加PCB板或在充电器中设计保护线路和/或时限装置来防止过放。,33,四、锂离子电池性能指标,讨论：电池短路，造成电池短路的因素，电池短路带来的后果，如何避免？,1） 外部导体直接连接电池的正负极；2） 组装时电池外部冲击力导致内部（微）短路； 3） 内部结构存在不良（如极粉刺刺破隔膜后正负极相接） 如果电池外部接触到任何金属导体都有可能导致外部短路。Li-ion电池外部短路时可能导致外壳变形、漏液、起火，甚至爆炸。因为内部电解液温度上升，从而引起内部气压上升，内压升高会冲破电池的安全阀，如果安全阀失效就会导致爆炸。 所以一定要注意不要将已充电的电池放在装有硬币或钥匙串的口袋里。另避免外部冲击（如：点焊镍带、锡焊等），因为外部的冲击力会导致电池变形，甚至内部电极短路。注：点焊时焊针之间的距离一定要保持在5-8mm，另应在电池的底部点焊，禁止在正面和侧面点焊。,34,五、锂离子电池制作流程（以软包电池为例）,35,五、锂离子电池制作流程（以软包电池为例）,检验,检验,检验,配料,制浆,涂布,分切,涂布,36,五、锂离子电池制作流程（以软包电池为例）,37,五、锂离子电池制作流程（以软包电池为例）,38,五、锂离子电池制作流程（以软包电池为例）,39,五、锂离子电池制作流程（以软包电池为例）,40,六、锂离子电池安全认证,国际国内关于锂离子电池的安全认证机构及其标准： GB（国家标准）;UL（Underwriter Laboratory)美国安全认证机构;CE（COMMUNATE EUROPIEA欧共体的缩写）。表示该商品符合安全、卫生、环保和消费者保护等一系列欧洲指令的要求。证实该产品已通过了相应的合格评定程序或制造商的合格声明，是该产品被允许进入欧盟市场销售的“通行证”; 企业内部的认证标准，一旦通过各个企业的内部标准，表明具有向该企业供货的能力，并基本达成供货意向。如：MOTOROLA、DESAY(德赛）。,41,六、锂离子电池安全测试,讨论：锂电池的安全特性是如何实现的？,为了确保Li-ion安全可靠的使用，人们进行了非常严格、周密的电池安全性能设计，以达到电池安全考核指标。1） 各种环境滥用测试 进行各项滥用实验，如外部短路、过充、针刺、冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。同时对电池进行温度冲击实验和振动、跌落、冲击等力学性能实验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。隔膜135自动关断保护,42,六、锂离子电池安全测试,电池满充电后，用电阻小于50 m的导体将正负极短路。,外短路,43,六、锂离子电池安全测试,电池在3C倍率、5V电压条件下过充电，电池不爆炸、不起火,过充电：,44,六、锂离子电池安全测试,将充满电电池固定在安全装置的夹具上，用直径2.5mm的钢钉用力打下，使电池完全穿透。,针刺：,电池不起火，不爆炸,45,六、锂离子电池安全测试,电池满充电后，放入温箱以5 /min的速率升温至150，保温30min 。,电池鼓胀、发热，不起火、不爆炸。,热冲击,46,六、锂离子电池安全测试,跌落测试仪,挤压装置,电池安全性能,47,六、锂离子电池安全测试,震动测试仪,碰撞测试仪,电池安全性能,48,六、锂离子电池安全特性,讨论：锂电池的安全特性是如何实现的？,2）采用国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达到120的情况下，PE复合膜两侧的膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。3）向电解液中加入添加剂 在电池过充，电池电压高于4.2V的条件下，电解液添加剂与电解液中其他物质聚合，电池内阻大幅增加，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。,49,七、锂离子电池优缺点,锂离子电池具有以下