电池基础知识

1、电池基础知识主要内容锂电池的历史锂离子电池的原理锂离子电池的组成部分介绍锂离子电池的常规性能电芯不良项目及成因 电芯生产各工序控制要点 国内主要电芯生产厂家锂离子电池的标准电池安全-电池为什么会爆炸？锂离子电芯安全实验锂离子电池保护板原理概述电池PACK结构设计时注意事项售后电池常见电池故障分析锂电池的历史 19811981年发表了第一个锂离子电池方面的专利。年发表了第一个锂离子电池方面的专利。 八十年代末，八十年代末，SONYSONY公司利用此发现制成了公司利用此发现制成了LIBLIB。 实验室制成的第一只实验室制成的第一只1865018650型锂离子电池容量仅为型锂离子电池容量仅为600m

2、Ah600mAh。 19921992年，年，SONYSONY公司开始大规模生产民用锂离子电池。公司开始大规模生产民用锂离子电池。 19981998年方型锂离子电池大量投放市场，占据了市场较年方型锂离子电池大量投放市场，占据了市场较大份额。大份额。 19991999年国内锂离子电池开始大批量生产年国内锂离子电池开始大批量生产 20022002年国产锂离子电池占据了国内主导市场年国产锂离子电池占据了国内主导市场锂离子电池原理 锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正极的二次电池。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路径不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“

3、爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。 只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。反应原理正极采用锂化合物LixCoO2,（还有LixNiO2,或LiMn2O4等目前没有商品化）,负极采用锂碳层间化合物LixC6。电解质为溶解有LiPF6,LiAsF6等的有机溶液。在充放电过程中，Li在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象地称为“摇椅式电池”（Rocking Chair Batteries,缩写为RCB） 0X0.5 X的增大会提高容量及放电电位，锂离子电池的组成部分 电池的主要组成部分为：（如右图）正极片、负极片、电解液、隔膜纸、盖帽、外壳、绝缘

4、层。电池可分为卷绕式、切片式叠片式三种：锂离子聚合物电池 锂离子聚合物电池属第二代可充锂离子电池。 这类电池和正负极材料与液态锂离子相同。电池的工作原理也与液态锂离子相同 不同的是锂离子聚合物电池的电解质是将液态有机电解液吸附在一种聚合物基质上，被称作胶体电解质。 研究者把聚合物电解质应用于锂离子蓄电池 时，显示出了一些优越的性能： 1、抑制了枝晶的生长。 2、耐充放电过程体积的变化。 3、降低了与电极反应的活性。一般认为溶剂对于锂甚至碳电极是不稳定的，电极表面钝化现象严重，聚合物电解质，由于它固体状态特性，降低了与电极反应活性。 4、安全性提高，聚合物电解质电池比液态电解质电池耐冲击，振动，

5、变形。 5、聚合物电解质可以加工成多样的形状。锂聚合物电池结构 由于电池中不存在游离电解质，电池结构大大简化软包装与“硬包装”相比的好处Hard-packing (Al or Fe-can)Can-wall thickness: 200500umHigher cost (for can, cap & safety vent) Less electrolyte leakage possibility- if can-cap laser sealing quality is goodPossibility of explosion - if safety vent design is no

6、t appropriateSoft-packing (Laminated Al-foil)Foil thickness: 100150umLower cost, lighter weight & flexibilityMore liquid electrolyte leakage possibilityNo explosion possibility主要就是减少了成本和增加了安全性锂离子电池的软包装材料 聚合物锂离子蓄电池软包装材料是由铝箔、多种塑料及多种粘合剂（包括粘结树脂）所组成的复合软包装材料。它的设计、制造及应用技术（简称软包装技术）是锂离子蓄电池行业要解决的三大技术难题之一。

7、 具有流动性、渗透性、腐蚀性、溶解性的电解液是电池 软包装材料设计主要考虑的问题。设计要求 1、外保护层：主要是对中间层起良好的保护作用 非冷冲压成型软包装材料:只要求外层耐高温热封温度160+/-15度耐摩擦性。耐刺穿性和耐折性好，对中间铝层起保护作用即可，通常 首选PET作为外层。 冷冲压成型软包装材料：还要求全知的伸长率，较高的抗冲击强度撕裂强度和断裂强度。NY是最适合冷冲压成型的外层材料。 2、中间层铝箔层 根据目前国际上软质铝箔加工工艺和技术条件，我们认为，26um以上的铝箔无针孔，对氧气或其它流体（固体不存在问题）可以起到绝对的阻隔作用，即透过率认为是零。 冷冲压要保证冲压后的厚度

8、各点都大于26um,厚度大于30um的铝箔对于提高阻隔性能没有实际意义，且会增加质量，厚度和成本内层多功能层: 内层多功能层是对锂离子蓄电池中电解液的特殊性能而设计的特殊多功能层，这些功能主要有1、耐电解液浸泡及使用时电化学反应过程中，内层表现出良好的化学稳定性（如不被溶涨、溶解或发生化学反应而遭到破坏）2、良好的耐穿刺性能3、内膜具有耐高温（175度）热封不短路的性能4、内层中间须能够固定，能够吸收制作过程中电芯内的水分、空气中的水分、内层材料中含有的水分，以及反应时产生的氢氟酸，使氢氟酸不能渗透到中间不复存在铝箔上产生腐蚀5、在保证封口强度。耐穿刺性能及电绝缘性能的前提下，内层越薄，对外界

9、和内界的阻隔性越好，封口越宽越好。电池的组成部分-电极片 电极是电池中最重要的部分，电极的好坏直接影响电池的性能。它是由活性物质和导电骨架所组成。活性物质是指正、负极中参加成流反应的物质，是化学电源产生电能的源泉，是决定化学电源基本特性的重要部分。对活性物质的要求是：1）组成电池的电动势高；2）电化学活性高，即自发进行反应的能力强；3）重量比容量和体积比容量大；4）在电解液中的化学稳定性高；5）具有高的电子导电性；6）资源丰富，价格便宜。 正极构造LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔） 正极 锂离子电池正极用材料 锂离子电池的正极材料必须有能接纳锂离子的位

10、置和扩散路径。锂离子蓄电池的容量最终是由正极材料决定的。 LiCoO2具有电压高，放电平稳，生产工艺简单等优点而率先占领了市场。其理论容量为274mAh/g,实际容量为140mAh/g,因此，现在仍有一些研究工作者在从事努力提高氧化钴锂的容量及其循环性能的工作。 负极构造石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔） 负极 锂离子电池用负极材料 锂离子嵌入碳化合物组成通常用LixC(0 x 16um)(发生内部短路的可能性增大) 2、可燃性很强的有机电解液被采用 - 更容易起火 - 更容易漏液 (会腐蚀电池板，使保护板失去保护作用) 3、电极和电解液间的距离较大且

11、不够均匀 - 容易生成锂枝晶，刺穿薄膜，构成内部短路。锂离子电池存在的安全问题的原因 (来自MOTO的消息)高能量密度电池里可能存在的锂金属 (过放等非正常使用情况下出现)电极材料的热稳定性较差可燃性较强的有机电解液不可逆的电解液分解 这将使电池不能保持一个固定的化学电位， V左右 ）锂离子电池锂离子电池 organic oxidized & electrolyte reduced productsDecomposition onset 4 to 5 V per cell不可逆的不可逆的!NiCd, NiMH H20 H2 + O2Cell Voltage limited to 1.5

12、 V可逆的可逆的!Li-plating Issue of Li-ion Battery液态锂离子电池(锂枝晶析出锂枝晶析出)(可能会引起内部短路可能会引起内部短路) 聚合物电池 (界面较平界面较平)锂枝晶的图片Li-plating锂离子电池的过充（Motorola）02468-50050100150200Cell Voltage% Nominal ChargeIIVIIIIIRegion I: overdischarge Benign failureRegion II: normal operationRegion III: cell degradationLi plating beginsE

13、lectrolyte decompositionExcessive delithiation of cathodeRegion IV: risk of thermal runawayComplete delithiation of cathodeImpedance/voltage/heating increases电芯设计上的过充电保护 1、电芯参数设计时： 电极涂料上各参数的 电芯尺寸 各种材料比例 2。具有高温关断作用的隔膜。02468101214020406080100120140050100150200250300Cell VoltageCharging CurrentCell Ski

14、n TemperatureCell Voltage (Volts) and 10 x Charging Current (A mps/10)Temperature, C% Nominal Capacity(Runaway)Shutdown高温时内阻增大高温时内阻增大电流减小，温度降低电流减小，温度降低电芯设计上的过充电保护anode/cathodeanode/cathodeoverchargePressure driven diskCell contactPressure build-up triggers CID.Gas generating additives often used. Li

15、2CO3 - CO2Electrode tab如何提高锂离子电芯安全性原料评估微分热量测定 (DSC) 和热量重量分析 (TGA)电芯等级分析热失控点的测定电池非正常使用情况模拟参考IEC, UL，JIS等标准Electrical, mechanical, thermal 等的滥用情况材料热量测定50100 150 200 250 300 350 400Heat=827J/g Temp. (C)50100 150 200 250 300 350 400Heat=407J/g215C Heat Flow (W/g)Temp. (C) DSC data on samples obtained fr

16、om commercial Li-ion cell 100% charged, OCV = 4.15 V Minor heat generation from negative electrode above 100o C Major heat generation initiated 160o C (LiCoO2) Total heat generated: combination of cathode and anodepositiveelectrode(anode)Negativeelectrode(cathode)114C264C307C501001502002503003504000

17、12345TRA-OnsetN-ElectrodeReactionP-ElectrodeDecompositionHeat=931J/g366J/g275C224C368J/g Heat Flow (W/g)Temp. (C)NE/separator/PEcombined锂离子电芯安全实验 -日本最重视的四条安全实验日本是世界上最早生产和应用商业锂离子电池的国家，对锂离子电池的性能最为了解一、高温箱实验（heat test）试验目的： 测量出电池的温度失控点；150度内不应该有Thermal Runaway 试验方法： 在20度时将电池充电至高温箱的温度以的速率升至150度。实验时测量项目1、

18、电池的最高温度？（电池不应该有Thermal Runaway ，跟随着高温箱的温度）2、是否膨胀？3、是否漏液？这是日本DECOMO（日本最大网络运营商）首要看重的测试项目，对于电池安全性有重大意义。02004006008001000 1200 1400 1600 1800 200050100150200250300ThermalRunawaySafetyRiskSafeTemp. (C)Time (min)OCV= V Self-heatingonset123CThermalrunawayonset167C锂离子电芯安全实验 -日本最重视的四条安全实验二、针刺实验试验目的：模拟电芯内部短路。

19、 测试方法：充电到后 用一直径的针刺穿电芯。 实验时测量项目： 1、？（toshiba383562为117度） 2、是否膨胀？（ toshiba383562 不产生气体） 3、是否漏液？（ toshiba383562 漏液） 据我们从市场上了解的情况，用户手机爆炸也一般是在使用时，而不是充电时，这是由电池内部短路造成的锂离子电芯安全实验 -日本最重视的四条安全实验三、挤压实验（Crush Test） 试验目的模拟电芯被重物压时的安全情况试验方法 Cell is crush by dia.10mm Rod. Pressure is 2.5 ton电池条件：在20度充电至实验时测量项目：1、max

20、.temp?2、是否膨胀？3、是否漏液？由于现在电池应市场提升容量的要求，隔膜越做越薄，有些差的隔膜是经不起这项考验的锂离子电芯安全实验 -日本最重视的四条安全实验外部短路实验（External Short Circuit Test）试验目的： 模拟电池放在包里时，被手链，项链等短路时的情况。试验方法：在55度时，把电池正负极短路。电池条件：在-5度时充电至（不同于通常0度45度的充电环境）实验时测试项目：1、 2、最大电流是多少？ 3、是否漏液？锂电池在零度以下进行充电,可能会导致金属锂的析出和电镀反应，这样充电后再短路实验条件相对较残酷。锂离子电芯安全实验 -过充电实验 实验目的：模拟充电

21、器，电池保护板均失效时的过充电情况， 随着目前充电器电路的慢慢成熟，过充电的标准正在降低。0 01 12 23 34 45 50 02 24 46 68 81010121214141616Voltage / VQuality Li-polymer Battery Safety ZoneCurrent / AA Company LIB - FireA & B Company LIB - FireB Company LPB - FireC Company LPB - FireUL-1642 Old Std(12V)UL-1642 New Std(5V)锂离子电芯安全实验 -burner t

22、est锂离子电芯安全实验 -其它安全实验Hotplate test此外，还有冲击实验，振动实验等我司在做的实验。锂离子电池保护板原理概述1正常状态正常状态 在正常状态下电路中N1的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。 此状态下保护电路的消耗电流为A级，通常小于7A。 2、过充电保护、过充电保护 电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过时，电池的化学副反应将加剧，会导致

23、电池损坏或出现安全问题。 在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于V2管自带的体二极管VD的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。 在控制IC检测到电池电压超过至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由芯片决定，为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。 3、过放电保护、过放电保护 电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至时，其容量已被完全放光，

24、此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。 在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。 由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于。 在控制IC检测到电池电压低于至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，设为100毫秒左

25、右，以避免因干扰而造成误判断。 4、过电流保护、过电流保护 由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能过大，否则会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。保护MOSFET的Idsmax一般为6A左右，如果电流超过这个值，也会烧坏MOSFET。 电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO

26、”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。 在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间在有的芯片中是固定的，有的芯片可以缩短，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。 5、短路保护、短路保护 电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保

27、护延时时间也不一样。 6、锂电池过充的第二级保护 ：温度保险丝或PTC 当充电管理失效时，保护IC起作用，当保护IC也失效时，PTC或温度保险丝监控到温度的变化，在温度失控时，及时关断充电，避免爆炸事故的发生。（温度保险丝是一次性的，PTC可自恢复，但是这时电池一般也已经膨胀，无再利用价值，自恢复功能意义不是很大） 电流fuse不能感觉到温度的变化， 不能起到第二级保护的作用。快动作 的FUSE还有可能在某些浪涌电流下 误动作，使电池失去作用。 因为充电管理芯片和电池保护IC同时失效 的可能性很小很小（ppm*ppm) 所以国内包括moto在内的厂家都开始在取消二极保护。单采用PTC或温度保险

28、丝作保护，做过充实验时没有出现爆炸单采用fuse做保护，做过充实验时出现爆炸典型的电池保护板的参数1. 6. over discharge protection delay time513msec8. over current protection delay time:820msec9. short protection delay time:550usec我司常用的保护IC：精工：S-8261-G2J S-8261- G2N S-8241-GAA S-8241- GAC理光：R5426-110FA等保护IC的其它功能0V电池禁充功能 （实际上是电芯电压小于（MOSFET的启动电压），就不能

29、再充电了）电池过放电到过放电保护点以下，是有缺陷的电池，再用可能会引起危险有这种功能芯片的IC有精工S-8261-G2J等（芯片上的字是G2J） 现在大部分芯片支持0V电池充电短路保护自恢复功能，大部分芯片有短路保护自恢复功能；有的芯片没有这项功能，就要再充一下电才能恢复使用。（现在这种芯片很少）电池PACK结构设计时注意事项-SANYO终端应该是不容易被项链，发卡等短路的方案应该预留测试点，使电池做好后还能再检测保护线路负极不能与电池侧边切边接触到（SANYO特殊要求）、电芯结构应坚密，以保证静电和水不容易进去三洋要求使用胶水粘接，如果超声焊，三洋不承担任何责任。如果使用超声焊，要求检查焊后的电芯的性能，以确保性能