锂电池基础知识 (1)

1,锂电池基础知识,2,目录,电池的分类化学电池特长和用途什么是锂离子电池锂离子电池的优点和缺点二次电池产品种类性能比较锂离子电池的应用锂离子电池工艺流程-圆柱电池/角形电池锂离子电池的构成-圆柱电池/角形电池锂离子的基本材料组成锂离子电池的相关性能要求锂离子电池设计技术要求锂离子电池的使用要求生产过程各工序控制管理生产注意点锂离子材料与岗位知识,3,电池的分类,电池的定义：即不使用机械的手段储存或产生直流电能的装置，从其工作原理可大致分为:化学电池、物理电池、生物电池。,化学电池:利用物质的电化学反应,产生电能。一般的,为人所知的电池几乎都属于这类化学电池。物理电池:依靠光或热等物理变化，变换或产生电能。生物电池:利用生物化学变化,产生电能。,一次电池：只能放电,放电结束后使用寿命也随之结束的电池。即所谓的干电池。二次电池：即使放电通过再次充电,如此可反复使用的电池。=充电式电池。,4,主要的化学电池的特长和用途,一次电池,空气锌电池因为正极使用了空气中的氧,电池内可聚集负极大量的锌,即使体积小也能获得大容量的电流.适用于助听器、呼叫机等。强碱钮扣电池氧化银电池因为正极使用的物质价格很高,电池的价格也随之较高。因此产生了使用比较便宜的二氧化锰的强碱钮扣电池。经济实惠,使用范围广。锂电池是一种体积小高电压、大电流而且使用寿命长的电池。在照相机、电子商务等方面发挥稳定的性能。另外，柱型锂电池可作为夜钓用电浮的电源，薄型锂电池被使用在薄的贮存卡、IC卡等上面。计算机、录像设备的记忆支持(记忆保持功能)。如果是锂电池使用510年都没问题。,5,主要的化学电池的特长和用途,镍镉畜电池是一种我们最熟悉的充电式电池。反复地每天使用时，将使用完的干电池充电即可再次使用。适用于无线电话、电动刷、电动剃刀等每日经常使用的电器上。镍氢蓄电池因为具有标准镍镉电池的约2倍的电容量，一次充电可使用更长使间。是一种使机器小型量轻化的电池。锂离子二次电池体积小重量轻高能量。是手机等不可缺少的电池。摄像机、手机等更小更轻时，这种电池偏大。铅蓄电池从小的电气制品,如汽车用的电瓶、到大的设备,如医院、高层建筑因火灾等停电时作为非常设备的电池，这些领域使用较多。,二次电池,6,什么是锂离子电池,锂电池的正极材料是锂金属，负极是碳。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Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。Li-ion就像一把摇椅，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来回奔跑。所以Li-ion又叫摇椅式电池。,7,锂离子电池的优点,1、高能量密度目前能达到的实际比能量为170-200Wh/kg和310-350Wh/L（2倍于Nl-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达250Wh/kg和400Wh/L2、工作电压高一个锂离子电池单体的工作电压是3.63.8V,这相当于3个串联的镍氢或镍镉电池组。3、安全性能好,无公害,无记忆效应.Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域,Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题,8,4、循环寿命长一般均可达到500次以上,甚至1000次.对于小电流放电的电器,电池的使用期限将倍增电器的竞争力。5、快速充电使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器可以使锂离子电池在一至两个小时内充满电。6、自放电小室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%,锂离子电池的优点,9,锂离子电池的缺点,1、电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。2、不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。3、需要保护线路控制。A、过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电；B、过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。,10,二次电池产品种类性能比较,11,锂电池的应用,手机数码相机对讲机笔记本电脑电动钓鱼杆微型打印机矿灯移动DVD,12,锂电池的工艺流程-圆柱电池,13,锂电池的工艺流程-角形电池,14,电池的构成-圆柱电池,15,电池的构成-角形电池,16,锂电池的基本材料组成,1.正极材料：钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂（三元材料），新材料有磷酸铁锂、镍酸锂等。2.负极材料：人造碳素、天然石墨等，目前大量应用。3.导电剂：炭黑、乙炔黑等；4.粘合剂：聚偏氟乙烯材料5.隔膜：PE、PP的复合膜，是一种微孔膜。6.导电柄：镍带、铝带、铝镍复合带等；7.保护胶带：高温保护胶带；8.绝缘板：材质PP9.电解液：EC、DEC等有机溶剂+LiPF6。10.安全防护部件：正极端子、PTC、安全阀等。11.壳体：金属铝、不锈钢镀镍钢壳、铝塑复合膜。,17,锂电池相关性能要求：,电性能能量密度循环性能内阻倍率性能安全性能（圆柱UL1642（国际标准）角形：UL46972，GB/T18287-2000（国标）非正常充放电安全性能环境安全性能机械安全性能能量密度：高容量电池：400Wh/L,160Wh/kg高功率电池：300Wh/L,110Wh/kg,18,锂电池相关性能要求：,内阻电池结构：极片厚度、长度、宽度、焊接；材料特性；一般和容量成反比；循环性能一般要求：常温500（20容量衰减）环境影响：3040度表现最佳，50度衰减加速较大,19,锂电池相关性能要求：,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。自放电性能自放电比较小，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,20,锂电池相关性能要求：,高温储存性能测试在某种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）。高温高湿检测性能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。,21,锂电池相关性能要求：,热箱测试性能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。短路安全性能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。钉刺安全性能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。,22,锂电池相关性能要求：,过充电性能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。主要失效原因是正极导致的热失控和化学反应失控。过放电性能要求放电到0V不冒烟不起火不爆炸。我们的电池一般只是鼓气，百分百通过。振动挤压性能模拟测试电池抗意外机械破坏时的安全特性。,23,锂离子电池设计技术要求,(1)、锂离子含量相当容量，即：正极活性物质的当量决定容量。LiCoO2+CLiC6+LixCoO2(2)、正极活性物质过量会析出锂枝晶，易产生安全问题，所以负极的活性物质比正极的活性物质设计稍微过量。LiCoO2+CLiC6+LixCoO2+Li(3)、电解液起到运输锂离子的作用，因此实际Li+当量量必须保证。,24,锂离子电池设计技术要求,(4)、水分会消耗锂离子，影响容量，同时产生气体造成电池内压上升，进而造成电池的安全阀打开（CID动作）、鼓壳等；同时可能和电解质反应，影响电池的循环、平台等，所以锂离子电池内部物质不能含有水分，且要控制作业环境温湿度及电极裸露存放湿度环境中的时间。LiCoO2+CH2OLiC6+LixCoO2+LiOH+H2LiPF6H2OLiF+PF3O+HF,(5)、隔离膜起着隔离的作用，一定不能破损，否则正、负极直接短路会带来安全问题。,25,锂离子电池使用要求,(1)、锂离子电池过充时，一方面会损坏正极活性物质的结构，影响寿命；另一方面会析出锂枝晶，引起安全问题。LiCoO2+CH2OLiC6+LiyCoO2+Li(2)、锂离子电池短路时产生极大电流可能会伤害人，而且容易引起电池的安全问题。电池短路瞬间电流：I=U/R=4.2/0.06=700A人体承受的正常电流：I=U/R=36/800=0.045A,26,锂电池生产过程各工序控制管理,用专门的溶液和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。目的：使活性物质分散均匀，便于涂工均匀，上浆涂布量恒定。搅拌不均匀-引起电极涂布局部活性物质不均匀，可能导致电池的容量、内阻和循环寿命的异常甚至电池的安全问题。配料/搅拌过程中有杂质混入-影响：A、膏料胶体的形成及及其稳定性，进而导致电极涂布活性物质厚度不均匀，B、影响电池的电化学性能。膏料胶体内的活性物质固形分不良会导致电池各项性能不良，甚至会引起电池安全问题（起火、爆炸）。导电剂配比不良过多会造成安全问题，过少会造成容量、放电倍率不足、内阻、循环寿命不良等。,配料/搅拌：,潜在问题,27,使浆料（胶体膏料）均匀地涂覆在集流体表面，并烘干。涂布厚度不均匀-会引起电极集流体上的活性物质分布不均匀，可能会导致电池的容量、循环寿命的异常，甚至会出现电池安全问题（析锂枝晶造成内部短路起火、爆炸）。涂布间歇尺寸不合格-会引起电极活性物质当量不足、电芯卷回布局不合格，可能会导致电池的容量、循环寿命的异常，甚至会出现电池安全问题。温度不稳定/过高或过低会造成电极片烘不干，引起电极掉粉或过热影响极片活性物质的粘接性能或电极残留水分引起电解液反应、Li+消耗、电池内压上升，造成电池容量、循环、平台、安全、自放电等不良问题。涂布的走带速度过快会造成电极烤不干，过慢会造成粘接剂变性分解出现掉粉。,潜在问题,电极涂布：,锂电池生产过程各工序控制管理,28,锂电池生产过程各工序控制管理,增加电极活性物质的压实密度（活性当量），并使表面平整。压力不足/过大，辊压厚度不到位或超标-造成电芯装配困难、电极断裂、卷绕对位不准等不良，会引起电池放电倍率、循环、自放电、安全等问题。辊面不平整极片表面不光滑甚至有毛刺，会引起电池析锂枝晶短路、自放电、甚至出现安全等问题。作业环境的温湿度超标会造成电极吸水形成结晶水，影响电池性能甚至安全问题。,潜在问题,电极压延（辊压）：,29,锂电池生产过程各工序控制管理,按型号要求分切/冲切电极。切口有批锋、毛刺-会引起电池短路、自放电等不良、甚至出现安全问题（起火、爆炸等）。电极片分切尺寸不良、弧形弯片等-会造成电芯X线不良、电芯装配困难、容量不良、卷绕不良等，严重时可能引起电池短路甚至电池安全问题。电极分切掉粉、粉尘会引起电池严重的自放电低压、短路、容量不良等。作业环境的温湿度超标会造成电极吸水形成结晶水，影响电池性能甚至安全问题。,潜在问题,电极分条/冲切：,30,锂电池生产过程各工序控制管理,电芯卷绕/叠片：,在隔膜良好绝缘的基础上，使正负电极良好地叠合或卷绕。正负极片对位不齐正极活性区域超出负极活性区域，具有安全隐患会引起电池起火、爆炸。操作过程中隔膜受到损伤导致短路或自放电大，甚至引起安全问题电极粉尘污染导致电池自放电大、短路等不良。电极与极耳焊接不良会导致电池断路、内阻漂移、内阻超标、内阻无穷大等不良。绝缘保护胶带粘贴不良会露出毛刺、导致电池短路起火粘住活性物质，会导致电池容量损失或安全问题。过多用手整理/搬运电芯会造成电极/隔膜移位、毛刺短路、掉粉等不良，会造成电池严重的安全问题。严禁裸手搓揉、弯折、仍摔电极高压检测漏检短路或微短路的电池都会出现自放电大的情况，严重时还会在充放电时出现爆炸,潜在问题,31,锂电池生产过程各工序控制管理,将电芯完好无损地装入电池钢壳/铝塑套中，烘烤干燥后、注液封口。电芯组立破损会造成电池短路或自放电大，具有安全隐患电芯绝缘胶带不良位置不当或粘贴不牢固，电池在受外界震动或碰撞时不能完全避免电池的内部短路，容易出现安全问题。烘烤温度失控温度偏高会损坏电池，温度过低会影响水分的去除，导致电池容量低、内阻不稳定、循环差及尺寸异常等问题烤箱真空度不良真空度不够，会影响电池中水分的去除，影响电池性能注液量不精确注液量过多会导致电池漏液和鼓壳，过少会导致电池容量不足、内阻偏大、平台低及循环性差等问题。注液环境温湿度不达标容易导致电池内吸水量增加，引起电池容量低、内阻大、平台低、循环性差及电池安全等问题。电池封口气密性不良会造成电池漏液、吸水，进而影响电池各项性能作业过程中，严禁裸手作业，严禁弯折、搓揉、敲击、摔打电极与电芯。,电芯组立/烘烤/注液封口：,潜在问题,32,锂电池生产过程各工序控制管理,在小电流充电的状态下，激活、活化电池；根据分级标准筛选、分类电池。活性化的电流和时间控制不好-会导致：电池后续性能判断不准确，不良品增加，甚至报废。电池的SEI层膜的形成不良，进而会造成电池容量、电压等出现不良。电池容量化学反应消耗、甚至出现过充安全问题（爆炸）。电池分容检测的电流、电压和时间控制不好会导致：电池的分容不准确，出现电池性能误判现象，造成额外的不良品增加。电池分容检测的恒压、恒流不准确，进而会造成：a、充电电压偏高，导致电池过充，影响电池性能和分容准确度，极端时可能出现爆炸。b、电压偏低会导致电池充电不足，影响电池分容的准确度。,电池活性化/分容检测：,潜在问题,33,生产注意点-干燥房（注液室）,干房是什么?干房是指与普通环境相比空气中的水份极少且温度超低的房间。湿度用露点(空气中的水份凝结的温度)来表示。若以相对温度来说是2以下。露点-25以下为什么，要在干房内作业锂离子电池不喜欢水.空气中的水份进入,即使微量的水份也会导致电池性能低下或膨胀发生。为了将水份的影响降低至最小化，就要在干房内制作电池。为什么要入室定员?干房的环境，使房间内大半空气处于循环，并除湿。持有水份最多的是人。(呼吸、发汗、衣着)为了除去人的水份，如果超出除湿机的能力范围，人一进入，露点就会上升。因此，干房内要设立入室定员的规定。不要带入吸湿物!如果带入湿了的衣、物，即使规定入室人员，若超过除湿能力，也会导致露点上升。另外，如果带入大量纸或棉布等易吸湿的物体，也会导致露点上升。不要带入纸箱。部材等放入塑料容器内带入。注意酒精对电池来说，酒精和水份是一样的。酒精的使用要在最小限度内且需慎重。,34,生产各工程共通注意点,严禁水分混入混入电池的水分会分解电气、这也是形成电池性能低下以及膨胀的原因。禁止将淋湿电池、禁止将淋湿物品及吸湿物带入车间。要使用酒精时尽量使用最小量。同时尽量不要将酒精付着到部品上。防止污损电池电池材料以外物体混入会引起电池性能低下。注意由正负极材料混放引起的交叉汚染而产生的杂质。尽量避免不必要的接触。正负极兼用的物品(设备、治具等)更换机种时要彻底清扫。禁止徒手触摸从手上分泌的汗.皮脂及水分也是产生污染源的原因。另外、材料中有危险物品。安全起见必须戴手套。小心轻拿轻放以电极为首的各部材出现的压折伤痕会造成短路原因危険。切实做好条件設定、确认工作人员要配合好、确实做好设定、确认工作.不能忽略日常的变化设备及材料的少许变化会引起大量的不良。时常注意日常产生的变化、在异常出现前就行动。,35,锂电池的材料与岗位知识,在电池工作时，电池的活性物质无论充放电都不会溶解在电解液中，为加强活性物质与网栅、集流片的接解导电性，而加放导电剂。,电极材料为何要加入导电剂,涂浆、如何控制极片涂工量,1、将搅拌好的浆料均匀地涂在金属箔的表面烘干。正极使用铝箔，负极使用铜箔2、根据正负极浆料的固含量、比重调节涂工机喷嘴间隙，控制拉浆的厚度，以达到控制。3、极片称重的目的是什么？准确了解和掌握正负极片的涂工量。4、如何判定涂浆过程中极片的质量好坏？极片表面平整、光滑、涂工量均匀、附着力好、干燥，不脱料、不掉料、不缺料、无积尘、无划痕、无气泡的极片为好的极片，有缺陷的为不好的极片。,36,锂电池的材料与岗位知识,为什么正电极用铝箔，负电极用铜箔，为什么不都用铝箔或都用铜箔，选择极流体应该从哪些方面考虑,1、采用两者做集流体都是因为两者导电性好,质地比较软(可能这也会有利于粘结)，也相对常见比较廉价，同时两者表面都能形成一层氧化物保护膜。2、铜表面氧化层属于半导体，电子导通，氧化层太厚，阻抗较大；而铝表面氧化层氧化铝属绝缘体，氧化层不能导电，但由于其很薄，通过隧道效应实现电子电导，若氧化层较厚，铝箔导电性级差，甚至绝缘。一般集流体在使用前最好要经过表面清洗，一方面洗去油污，同时可除去厚氧化层。3、正极电位高，铝薄氧化层非常致密，可防止集流体氧化。而铜箔氧化层较疏松些，为防止其氧化，电位比较低较好，同时Li难与Cu在低电位下形成嵌锂合金，但是若铜表面大量氧化，在稍高电位下Li会与氧化铜发生嵌锂发应。AL箔不能用作负极,低电位下会发生LiAl合金化。4、集流体要求成分纯。AL的成分不纯会导致表面膜不致密而发生点腐蚀，更甚由于表面膜的破坏导致生成LiAl合金,37,锂电池的材料与岗位知识,正、负极片压延的目的,使活性物质与网栅及集流片接触紧密，减小电子的移动距离，降低极片的厚度，增加装填量，提高电池体积的利用率。从而提高电池的容量。,压延厚度对电池性能有什么影响？,压片厚度太厚时，容易使电池内活性物质量减少，单位体积的活性物质量的减少和极化电位的增大，从而造成电池的容量降低。压片厚度太