锂离子电池原理及基础知识介绍

锂离子电池基础知识,Sept.,2010,锂离子电池的历史,人类对便携能源的追求：高能量密度，高性能，方便快捷，经济环保,不懈追求高能电池,锂电池,聚合物电解质,安全问题,炭负极,聚合物锂离子,繁荣的锂离子电池,石墨负极锂离子,Li,固体电解质,安全活性材料,二次电池,70年代,1989年,1993年,90年代,应用领域的深化和拓展,锂离子电池应用,锂离子电池种类,按外形：圆柱形、方形、异形按包装材质：钢壳、铝壳、铝塑软包装按电解液：液态锂离子、凝胶聚合物、固体聚合物按构造：层叠式、卷绕式按性能：高能量、高功率（高倍率）按应用：便携小器件、电动能源,锂离子电池特点,优点：能量密度高单电池电压高污染小，绿色环保不足:安全（在逐步提高）价格（现在很便宜了）,锂离子电池的构造,五要素：正极材料：含锂的过渡族金属化合物负极材料：炭材料隔离膜：PP、PE类电解液：含锂盐的有机电解液包装：软包装、钢壳、铝壳,锂离子电池正极材料,种类：Ni、Co、Mn的化合物：钴酸锂，镍锰钴锂，镍钴锂，尖锰磷酸盐类：磷酸铁锂，磷酸钒锂结构：层状结构三维隧道结构特点（钴酸锂）：蓝黑色固体粉末易吸潮真实密度5g/cc，振实密度2.5g/cc，粒度8um容量140mAh/g,钴酸锂,钴原子层、氧原子层和锂原子层交替堆叠而成的层状晶体结构化学式：LixCoO2通过高温烧结制造的陶瓷材料,钴酸锂的电性能,可逆容量：140mAh/g平台:3.9-4.0V电压范围:3.0-4.3V,钴酸锂的电性能,锂离子电池负极材料,种类：炭材料家族：人造石墨、天然石墨、硬炭非炭类：硅炭、锡合金结构（石墨）：层状结构特点：黑色固体粉末真实密度2.2g/cc，振实密度1.1g/cc，粒度20um容量340mAh/g,石墨和石墨层间化合物,锂离子存储在石墨层中，以一定的结构形式存在，形成化合物LixC6(0x1)，称之为石墨层间化合物（GICs)，不同x对应不同状态GICs。,石墨的电性能,几个平台？平台：0.3-0.05V可逆容量：300-360mAh/g不可逆容量：首次充电过程损失部分,Rev,Irr,SEI,充电后的负极石墨,颜色变化黑色淡蓝色黄褐色金黄色观察我们的负极化学活性非常活泼，遇空气易氧化，遇水剧烈反应拆电池时要注意热稳定性温度越高越活泼，热稳定性差,锂离子电池电解液,溶剂有机碳酸脂溶剂环状脂：EC、PC、GBL链状脂：DEC、DMC、EMC、MPC盐大阴离子锂盐LiPF6、LiBF4特点：密度：1.2g/cc电导率：8mScm粘度：3.5mPas（大约是水的三倍）要求极低的水分含量（我们在充氮气手套箱中灌注电解液）控制HF含量,锂离子电池电解液,电解液作用,环状脂的作用：电解质盐强电离溶剂高沸点链状脂的作用：稀释电解液部分电离盐的作用一般使用状态：2550环状脂7550链状脂1MLiPF6水分、HF50度衰减加速较大为什么会衰减？材料界面,倍率性能,一般使用对倍率的要求约1C大电流电池要求很高的倍率放电性能，如5C，10C等。,自放电,自放电比较小，常温存储5/月。正常自放电来源？自蚀内部微电流消耗异常情况？微短路杂质腐蚀材料不稳定,高温存储,测试在某种SOC下，一定温度下存储后的容量保持率、内阻变化和厚度增长。一般测试温度有60、80、85度对软包装电池，最重要的是厚度增长不能超标（一般要求10）。,高温高湿,对电池密封性的一种测试。测试环境湿度约95，温度为65度。要求容量保持率、内阻变化和厚度变化在规定范围内。,热箱测试,评估电池在环境温度超标情况下电池的安全性能。UL测试为130度，要求在规定时间内不冒烟不着火不爆炸。失效原因可能是正极或负极和电解液反应，或隔离膜收缩导致的局部短路。,短路,UL要求满充电池在100mohm电阻导线短路条件下电池不冒烟不着火不爆炸。测试环境温度影响很大，60度测试比较苛刻。主要失效原因是短时大电流放电发热导致电池内部反应失控或短路。,穿钉,评估电池非正常内短路条件下的安全特性。UL要求在2.8mm铁钉刺穿后不冒烟不着火不爆炸。主要失效原因是局部短路和过热造成的反应失控。,过充,模拟电池使用过程中可能会面临的非正常充电状态下安全性能，要求不冒烟，不着火，不爆炸。正极是过充失效的主要控制环节。