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Volume energy dens i t y Uli /1O005000502 11100 200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）锂禺子电池的构造五要素：-正极材料：含锂的过渡族金属

2、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LiCoOa锂O氧钻种类：一 Ni、Co、Mn的化合物：钻酸锂，線低钻锂，線钻锂，尖镒 -磷酸盐类：磷酸铁锂，磷酸饥锂结构：-层状结构-三维隧道结构特点（钻酸锂）:-蓝黑色固体粉末-易吸潮-貞实密度5g/cc,振实密度2.5g/cc,粒度8um-容量140mAh/g钻酸锂钻原子层、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钻酸锂的电性能可逆容量:140mAh/g平台：-3.9-4.0V 电压范围：-3.0-4.3VmAh/g钻

3、酸锂的电性能种类：-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一容量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(0l Jly f (DEGoo、o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-部分电离盐的作川 一般使用状态：- 25 50 %环状脂+ 75 50 %链状脂一 1M LiPF6一水分、HFv20ppm电解液对电池的影响 SEI-电解液对SEI层质量起主导作川内阻-产生一

4、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-冇氧化燃烧的危险多孔有机高分子膜（某些聚合物电池例 夕卜）:PP膜、PE膜、复合膜特点：-孔隙率：45%-孔径：0.5um-强度：MD, TD一厚度：20um一收缩率：2%隔离膜隔离膜对电池性能的影响和如何避免 -内阻：影响离子传导有效面积和距离 一自放电-安全问题隔离膜在电池中会老化吗？我们的集流体粉末正、负极材料的家-构成电极的一部分-汇集电流-正极：铝箔-负极：铜箔如果负极用铝箔呢？对集流体有哪些要求?包装箔有几层?我们的包装箔是多层铝塑复合材料每层有各自的功能对包装箔的保护耍注意哪些方面？尼

5、铝P龙箔层层铝塑包装箔锂离子电池工作原理锂离子在正、负 极之间循环旅游, 这个旅游过程表 现为电池放电或 充电锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理止极:LiCoO2充电/肢入、Li. CoO9+xLi + +xe_I -xz锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理负极:+充电/嵌入、6C + xL+xe- W二二二 Li C6放电/脱恨X 锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理总的反应:充电/嵌入、QLiC匸盂产。2皿心锂离子电池工作原理电池首次充电放电过程叫电池活化：-正、负极材料表面形成的SEI层，构成稳定的界面。-去除大部分杂质-形成稳定的电化学体系活化过程会消耗部分能量，构

6、成了不可逆容量部 分 SEI层的质量很大程度上决定了电池的质量SEI层是什么？相当于一个保护钝化膜，是通过电化学钝化形成的，厚度 为纳米级。主要成分是电解液中成分在正、负极表面分解的产物：一无机锂：LiF, Li2O-有机锂：LiR特点：锂离子导通，电子绝缘！ ！ SEI层对负极尤为重要 SEI层的重要意义：-保护了电极材料不受电解液的侵蚀-保证了电池的效率和循环使用负极SEI层形成过程3：=什一 1、E溶剂分解反应产生气体 溶剂化锂离子1尸的吸附5溶剂化锂离子1+（副反应）可溶产物f溶液 溶剂不溶产物如LI2O5LiELiCLLkO聚合 EC作用巨大 PC产生破坏链状脂贡献小添加剂可以弥 补

7、固体产物在电 极表面附着， 气体需要排出溶剂电池负极析锂当负极不够容纳、或来不及容纳来自正极 的锂离子时，锂离子就会在负极表面以金 属锂的形式析出，并继而和电解液等反应 生产副产物沉积在负极表面，并可能产生 气体。观察中可以看到析锂后的负极表而好似有 一层粘性附着物。电池要避免析锂。电池性能有哪些体现和要求电性能-能量密度-彳卅环性能-内阻-倍率性能安全性能(UL1642, GB/T 18287-2000)-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和内阻能量密度：一高容量电池：400Wh/L, 160Wh/kg 383450?一高功率电池：300Wh/L, 110Wh/kg内阻

8、-电池结构：极片厚度、长度、宽度-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：-30-40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v5%/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%） o高温高湿对电池密封

9、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10Omohm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人，60度测试比较苛 亥|J。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