锂离子电池培训

1、中天科技专注精细制造智能电网智能电网通信通信UPSUPS电动汽车电动汽车光伏风电光伏风电铁路矿用铁路矿用中天锂电中天锂电锂离子电池 王杰王杰中天科技专注精细制造Page 2电池太阳能电池双层电气电容热电池物理电池生物电池酶解电池微生物电池化学电池一次电池二次电池燃料电池镍铬电池镍氢电池锂离子电池铅酸电池中天科技专注精细制造Page 3锂一次电池锂一次电池(又称锂原电又称锂原电池池, Primary LB)锂电池锂电池(Lithium Battery, 简写成简写成LB)锂二次电池锂二次电池(又称锂可充又称锂可充电电池，电电池，Rechargeable LB)中天科技专注精细制造Page 4锂一

2、次电池发展史锂一次电池发展史当前70年代60年代的能源危机20世纪50年代多种材料应用于锂一次电池锂一次电池商品化锂一次电池商品化锂一次电池大发展锂一次电池大发展开始锂一次电池的研究开始锂一次电池的研究手表、计算器、植入式医疗设备Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、Li-SO2、Li-Ag2CrO4等中天科技专注精细制造Page 5 在商业化锂一次电池的同时，人们发现许多层状无机硫族化合物可以同碱金属发生可逆反应，这样的化合物统称为嵌入化合物。在嵌入化合物基础上，锂二次电池诞生了，其中最具有代表性的是1970年埃克森公司的M.S.Whittingham利用Li-TiS体系，制成首个

3、锂电池。但由于其枝晶所产生严重的安全隐患而未能成功实现商品化。循环循环100100次形成的锂枝晶图次形成的锂枝晶图锂二次电池的产生锂二次电池的产生中天科技专注精细制造Page 6锂离子电池的产生锂离子电池锂离子电池比能量比能量电压电压负极层状结构的石墨层状结构的石墨120-150Wh/kg是普通镍镉电池是普通镍镉电池的的2-3倍倍高达高达3.6V正极正极20世纪世纪80年代末，日本年代末，日本Sony公司公司提出者中天科技专注精细制造Page 7锂离子电池区别于锂电池 早期的锂电池锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机

4、里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好，在充放电循环过程中,容易形成锂结晶，造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。 中天科技专注精细制造Page 8锂离子电池：炭材料锂电池后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。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

5、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。 目前所说的锂离子电池通常为锂二次电池。中天科技专注精细制造Page 9摇椅式电池1 Michel Armand, Philippe Touzain. Graphite intercalation compounds as cathode materials. Materials Science and Engineering. Volume 31,1977,319-3292 Armand M BPhD thesis ， Grenoble，19783

6、 Armand M BMaterials for Advanced Battery New York： Plenum，1980145 20世纪80年代初，M.B.Armond首次提出用嵌锂化合物代替二次锂电池中金属锂负极的构想。在新的系统中，正极和负极材料均采用锂离子嵌入/脱嵌材料。 当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。负极的炭材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。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

7、说的电池容量指的就是放电容量。中天科技专注精细制造Page 10 在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。这就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。人们把这种电化学储能体系形象地称为“摇椅式电池” （Rocking-chair Cell）。中天科技专注精细制造Page 11锂离子电池锂离子电池优点优点无环境污染，绿色电池输出电压高输出电压高能量密度高能量密度高安全，循环性好安全，循环性好自放电率小自放电率小快速充放电快速充放电充电效率高充电效率高中天科技专注精细制造Page 12锂离子电池工作原理中天科技专注精细制造Page 13电池内阻 电

8、池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。电池内阻是衡量电池性能的一个重要参数。锂离子电池性能参数指标锂离子电池性能参数指标电池的容量电池的容量 电池的容量有额定容量和实际容量电池的容量有额定容量和实际容量之分。锂离子电池规定在常温、恒流之分。锂离子电池规定在常温、恒流(1C)(1C)、恒压、恒压(4.2V)(4.2V)控制的充电条件下，控制的充电条件下，充电充电3h3h、再以、再以0.2C0.2C放电至放电至2.75V2.75V时，所时

9、，所放出的电量为其额定容量。放出的电量为其额定容量。 电池的实电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和温放出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。明充放电条件）。 容量单位：容量单位：mAhmAh、Ah(1Ah=1000)Ah(1Ah=1000)。中天科技专注精细制造Page 14 u开路电压和工作电压开路电压和工作电压 开路电压开路电压是指电池在是指电池在非工作状态下即电路中无电非工作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间流流过时，电池正负极之间

10、的电势差。一般情况下，锂的电势差。一般情况下，锂离子电池充满电后开路电压离子电池充满电后开路电压为为4.14.14.2V4.2V左右，放电后开左右，放电后开路电压为路电压为3.0V3.0V左右。通过对左右。通过对电池的开路电压的检测，可电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态。以判断电池的荷电状态。u 工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。中天科技专注精细制造Page 15u 放电平台时

11、间 放电平台时间是指在电池满电情况下放电至某电压的放电时间。例对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒压充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.02C时停止充电即充满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间。 因某些使用锂离子电池的用电器的工作电压都有电压要求，如果低于要求值，则会出现无法工作的情况。所以放电平台是衡量电池性能好坏的重要标准之一。中天科技专注精细制造Page 16u 充放电倍率 充放电倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，1C在数值上等于电池额定容量，通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为10

12、Ah，则10A为1C（1倍率），5A则为0.5C，100A为10C，以此类推。u 自放电率 自放电率又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。主要受电池的制造工艺、材料、储存条件等因素的影响。是衡量电池性能的重要参数。中天科技专注精细制造Page 17u 充电效率和放电效率 充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程度的量度。主要受电池工艺，配方及电池的工作环境温度影响，一般环境温度越高，则充电效率要低。 放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比，主要受放电倍率，环境温度，内阻等因素影响，一

13、般情况下，放电倍率越高，则放电效率越低。温度越低，放电效率越低。u循环寿命循环寿命 电池循环寿命是指电池容量下降电池循环寿命是指电池容量下降到某一规定的值时，电池在某一充放电到某一规定的值时，电池在某一充放电制度下所经历的充放电次数。锂离子电制度下所经历的充放电次数。锂离子电池池GBGB规定，规定，1C1C条件下电池循环条件下电池循环500500次后容次后容量保持率在量保持率在60%60%以上。以上。 中天科技专注精细制造Page 18锂离子电池类型1圆柱型锂圆柱型锂离子电池离子电池(Cylindrical Li-ion Battery)3纽扣锂离纽扣锂离子电池子电池(Coin Li-ion

14、Battery)4薄膜锂离薄膜锂离子电池子电池(Thin Film Li-ion Battery) 2方型锂离方型锂离 子电池子电池(Prismatic Li-ion Battery)5软包型锂软包型锂离子电池离子电池(Pouch Li-ion Battery)中天科技专注精细制造Page 19圆柱型的外观与内部结构如图所示，通常正负极与隔膜被绕卷到负极柱上，再装入圆柱型钢壳，然后注入电解液，封口，最后产品得以成型。下图中还包括正温度系数端子（PTC）和安全阀（Safety Vent）等安全部件。圆柱型锂离子电池圆柱型锂离子电池(Cylindrical Li-ion Battery)中天科技专

15、注精细制造Page 20方型锂离子电池外观与内部结构如图所示，其主要部件与圆柱型锂离子电池方型锂离子电池外观与内部结构如图所示，其主要部件与圆柱型锂离子电池类似，主要也是由正负极和电解质，以及外壳等部件组成。通常电解质为液类似，主要也是由正负极和电解质，以及外壳等部件组成。通常电解质为液态时，使用钢壳；若使用聚合物电解质，则可以使用铝塑包装材料。态时，使用钢壳；若使用聚合物电解质，则可以使用铝塑包装材料。方型锂离子电池（方型锂离子电池（Prismatic Li-ion Battery）中天科技专注精细制造Page 21软包锂离子电池外观与内部结构如图所示，其主要部件与方型锂离子电池类软包锂离子

16、电池外观与内部结构如图所示，其主要部件与方型锂离子电池类似，主要也是由正负极和电解质，以及外壳等部件组成。通常使用铝塑包装似，主要也是由正负极和电解质，以及外壳等部件组成。通常使用铝塑包装材料。材料。软包锂离子电池（软包锂离子电池（Pouch Li-ion Battery）中天科技专注精细制造Page 22除圆柱型锂离子电池和方型锂离子电池外，还有纽扣锂离子电池（纽扣锂离子电池（CoinCoinLi-ion BatteryLi-ion Battery），），这种电池结构简单，通常用于科研测试。纽扣锂离子电池（Coin Li-ion Battery）中天科技专注精细制造Page 23薄膜锂离子电

17、池薄膜锂离子电池是锂离子电池发展的最新领域, 其厚度可达毫米甚至微米级，常用于银行防盗跟踪系统、电子防盗保护、微型气体传感器、微型库仑计等微型电子设备薄膜锂离子电池（薄膜锂离子电池（Thin Film Li-ion Battery ）中天科技专注精细制造Page 24具有代表性的圆柱形锂离子电池构造图具有代表性的圆柱形锂离子电池构造图中天科技专注精细制造Page 25锂离子电池正极材料p 正极材料是制造锂离子电池的关键材料之一，正极材料是制造锂离子电池的关键材料之一，它的性能和价格直接影响到锂离子电池的性能和它的性能和价格直接影响到锂离子电池的性能和价格。价格。 p 研究和开发高性能的正极材料

18、已成为锂离子电研究和开发高性能的正极材料已成为锂离子电池发展的关键！池发展的关键！中天科技专注精细制造Page 26能量越高，电动车能量越高，电动车续航里程越远续航里程越远功率越高，电动车功率越高，电动车加速、爬坡性能越加速、爬坡性能越好好电动车的安全性的电动车的安全性的决定因素决定因素循环性越好，电动循环性越好，电动车寿命越长车寿命越长比能量高比功率大比功率大自放电少价格低廉使用寿命长使用寿命长安全性好锂离子电池正极材料的要求中天科技专注精细制造Page 27正极材料理论电容量计算 1mol正极材料Li离子完全脱嵌时转移的电量为96500C（96500 C/mol是法拉第常数）由单位知mAh

19、/g指每克电极材料理论上放出的电量：1mAh1（103）安培360秒3.6C 以磷酸锂铁电池LiFePO4为例：LiFePO4的分子量是157.756 g/mol, 所以他的理论电容量是96500/157.756/3.6=170 mA h/g中天科技专注精细制造Page 28常见正极材料及其性能比较常见正极材料及其性能比较中天科技专注精细制造Page 29LiCoO2LiMn2O4安全性差，价格昂贵合成比较困难衰减比较严重LiNiO2中天科技专注精细制造Page 30碳材料非碳材料石墨非石墨天然石墨人工石墨软碳硬碳金属氧化物金属间化合物其他过渡金属氧化物锡基氧化物金属氮化物等锡基、锑基等 锂离

20、子电池负极材料钛酸锂等中天科技专注精细制造Page 31负极材料分类比较人造石墨人造石墨硅碳合金硅碳合金中天科技专注精细制造Page 32碳材料存安全隐患，钛酸锂成负极发展新方向！容量高，充放电体积变化小，能够提高电池的循环性能和使用寿命。可以快速、多循环充放电。可能在碳电极表面析出金属锂，与电解液反应产生可燃气体混合物，存在安全隐患碳材料碳材料钛酸锂钛酸锂南方化学钛酸锂的SEM图和倍率充放电曲线图 中天科技专注精细制造Page 33锂离子电池电解液电解液是锂离子电池的四大主要组成部分之一，是实现锂离子在正负极迁移的媒介，对锂电容量、工作温度、循环效率以及安全性都有重要影响。通常电解液占电池重

21、量和体积的比重分别为15、32，其对纯度及杂质的含量要求非常高，生产过程中需要高纯的原料以及必要的提纯工艺。电解液的生产工艺流程图中天科技专注精细制造Page 34u锂离子电池对溶剂的要求有安全性、氧化稳定性、与负极的相容性、导电性等，总体要求溶剂具有较高的介电常数、较低的粘度等特征。u溶剂由主溶剂和添加剂组成常用溶剂性能表中天科技专注精细制造Page 35中天科技专注精细制造Page 36锂离子电池电解质材料u1.液态电解质，又称电解液，一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐（主要是LiPF6）、主要的添加剂等原料，在一定条件下，按一定比例配制而成的。u2.固态电解质，电解质为固体聚合物，以固体

22、聚合物为电解质的锂离子电池称为聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)。中天科技专注精细制造Page 37对于液体电解质材料而言,需要满足以下条件:(l)在较宽的温度范围内为液体并具有较高的锂离子电导率， 达到或接近10-2S/cm，以满足不同条件下的应用要求。(2)具有较好的热稳定性和化学稳定性,蒸汽压低,不易蒸发 和分解，与电池体系的其他材料不发生反应。(3)具有较宽的电化学窗口,可以达到甚至超过4.5V(vs.Li/Li+)。(4)毒性低,使用安全。(5)制备及纯化容易,制备成本低等。中天科技专注精细制造Page 38中天科技专注精细制造Page 39隔膜的主要作用：u隔离正、负极，并使电池内部的电子不能自由穿过u能够让电解质液中的离子在正负极间自由通过。锂电池中的关键内层组件 隔膜中天科技专注精细制造Page 40中天科技专注精细制造Page 41锂电池隔膜材料分类u多孔聚合物薄膜（如聚丙烯PP,聚乙烯PE,PP/PE/PP膜）u无纺布（