锂离子电池原理及基础知识介绍

1、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

2、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氧锂钴酸锂的电性

3、能 可逆容量：140mAh/g 平台: 3.9-4.0V 电压范围: 3.0-4.3V01505010034VmAh/gIrrRev首次充电首次放电钴酸锂的电性能LiCoO2过充区域过充区域安全使用范围安全使用范围3.04.05.0LiCoO2Li0.5CoO2Li0.8CoO2极度危极度危险区域险区域完全失完全失效区域效区域0mAh/g137mAh/g200mAh/g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

4、层间化合物a b c 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(0 x 1) ，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 RevIrrSEI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 Li

5、PF6、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 1M LiPF6 水分、HF20ppm电解液对电池的影响 SEI 电解液对SEI层质量起主导作用 内阻 产生一定的内阻 大电流时的浓差极化较大 热稳定性 高温时部分溶剂可能气化，鼓胀电池 盐在高温下分解加速 安全 有氧化燃烧的危险锂离子电池隔离膜 多孔有机高分

6、子膜（某些聚合物电池例外）：PP膜、PE膜、复合膜 特点： 孔隙率：45 孔径：500（20容量衰减） 环境影响： 3040度表现最佳，50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。

7、 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，