2-3锂离子电池结构、原理及应用

2-3锂离子动力电池的结构组成、工作原理及应用,主讲：蒋鸣雷,知识目标：1、掌握锂离子动力电池的储能原理与结构；2、掌握锂离子动力电池的工作特性，了解其应用情况。能力目标：能阐述锂离子电池的储能原理及工作特性。素质目标：1、培养学生自主学习、查找资料、制定计划的能力；2、培养学生具备从事汽车行业工作的职业素养。,学习检测,教学目标,主要内容,学习小结,教学重点：锂离子电池的工作特性,教学难点：理解锂离子电池的充放电原理,学习检测,教学目标,主要内容,学习小结,1.锂离子电池结构与原理2.锂离子电池的工作特性3.锂离子动力电池的应用,学习任务,学习检测,主要内容,教学目标,学习小结,一、锂离子电池的结构与原理,1、锂离子电池的类型根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(LithiumIonBattery，LIB)和聚合物锂离子电池(PolymerLithiumIonBattery，LIP)两大类。液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替。液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料都是相同的，工作原理也基本一致。,2、锂离子电池的结构锂电池的结构形式常见的有圆柱碳包式、方型叠片式、圆柱叠片式、圆柱卷绕式、方型卷绕式等。电池容量从几十毫安时到几百安时不等。,2、锂离子电池的结构,2、锂离子电池的结构,正极：采用锂化合物LiXCoO2（钴酸锂）、LiXNiO2（镍酸锂）、LiFePO4（磷酸铁锂）、LiXMnO2（锰酸锂）、Li3TiO3（钛酸锂）、以及三元材料Li(NiCoMn)O2）镍钴锰酸锂；这些锂化合物材料是晶状体结构材料。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。隔膜：只允许锂离子Li+往返通过，阻止电子e-通过，在正负极之间起到绝缘作用。,2、锂离子电池的结构,拆去塑料包装外皮,拆解波士顿三元电池,分开顶部结合处，可以嗅到电解液的酸味,翻起上面，看到卷绕的电芯和正负电极极耳,当把正负极与铝外壳接触时，会短路放电燃烧。,2、锂离子电池的结构,拆解18650锂离子电池,18650电芯的是由外壳、正极、负极、薄膜和电解质五部分组成的，18650电芯的直径为18mm，长度为65mm，非常容易识别。出于安全考虑，在电池正极位置通常会加置一个灰色的绝缘片。,正极铜箔隔膜、电解液负极铝箔,3、锂离子电池的工作原理,3、锂离子电池的工作原理,锂离子电池在原理上实际是一种锂离子浓差电池，正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂碳层间化合物LiC6，电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液。Li+在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距的变化，不破坏晶体结构；在放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。,3、锂离子电池的工作原理,正极反应式：,负极反应式：,电池反应式：,式中：MCo、Ni、W、Mn等金属元素。,3、锂离子电池的工作原理,举例：钴酸锂离子电池的工作原理,4、锂离子电池的正负极材料,锂离子电池在原理上实际是一种锂离子浓差电池，正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂碳层间化合物LiC6，电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液。Li+在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距的变化，不破坏晶体结构；在放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。,二、锂离子电池的工作特性,1、充放电特性锂离子电池充电从安全、可靠及兼顾充电效率等方面考虑，通常采用两段式充电方法。第一阶段为恒流限压，第二阶段为恒压限流。锂离子电池充电的最高限压值根据正极材料不同而有一定的差别。锂离子电池基本充放电电压曲线如下图所示。图中曲线采用的充放电电流均为0.3C。,二、锂离子电池的工作特性,2.安全性锂离子电池在热冲击、过充、过放和短路等滥用情况下，其内部的活性物及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使得电池内部压力一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。,3.热特性电池放电电流越大时，正极耳处的温度上升越快，并且温度极值越高。在环境温度较高，并且电池大功率放电的情况下，必须采用散热措施，以避免安全问题。充电倍率越大，电池温度上升越快，并且温度峰值也越大。,4、锂离子电池出厂时的充电过程,一开始涓流充电，必须先充到3.0v（这是第一次充电，使用锂离子电池放电终了电压一般都设置高于3.0v），然后以大电流恒流充电，但注意电池不能过分发热（超过材料的充电接受能力），充电电流越大，接受比率就越低，对电池的伤害就越大。当电压充到某个数值以后切换成恒压充电，因为此时锂离子已经快转移完毕，极板的充电接受能力下降，充电电流会逐渐减小。当充电电流降低到某个数值以后，0.1C，停止充电！,5、锂离子电池的优点,1)工作电压高。钴酸锂3.6V，锰酸锂3.7V，磷酸铁锂3.2V。2)比能量高。理论比能量可达200Whkg以上，实际应用中也可达140Wh/kg。3)循环寿命长。深度放电循环次数可达1000次以上；低放电深度循环次数可达上万次。4)自放电小。月自放电率仅为总容量595)无记忆效应。6)环保性高。不包含汞、铅、镉等有害元素，是真正意义上的绿色电池。,三、锂离子电池的应用,1、在便携式电器方面的应用目前移动电话、笔记本电脑、微型摄像机等需要便携式电源都选择了锂离子电池，钴酸锂、锰酸锂锂离子电池占有主导地位。2、在交通行业的应用国内外众多汽车研制和生产企业开发的电动汽车半数以上车型采用了锂离子电池，并有逐步扩大的趋势。3、在军事装备及航空航天事业中的应用锂离子电池主要用做动力起动电源、无线通信电台电源、微型无人驾驶侦察飞机动力电源等。4、其他锂离子电池应用在医疗、石化、电力行业等均具有广阔的应用前景。,学习检测,学习小结,教学目标,主要内容,小结锂离子电池充电时，锂离子从正极锂晶体晶格脱嵌，进入负极碳晶格，迁移的锂离子越多，电池存储的电量越大，正负极之间的电压越高。放电过程相反。锂离子电池有充电截止电压，不能过充，过充会造成负极晶格堵塞，电池鼓包；放电有放电截止电压，不能过放