电池基础简介详解版

1、2016锂电池电池基础知识锂电池电池基础知识临渊居士目录页第一章：电池基本定义第一章：电池基本定义电池基本定义：指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。具有正极、负极之分。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。电池主要性能：包括电动势、额定容量、额定电压、开路电压、内阻、充放电速率、阻抗、寿命和自放电率。锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。（此课

2、件讲解将以锂离子电池作为参照讲解）电池组成部分：电芯、保护板、接触片，其他。 可以理解，电芯本身就是一个完整电池。电芯的基本组成：由正极、负极、隔膜、电解液、外壳五金件组成返回目录电池种类划分一：按电解液种类划分 1、碱性电池，电解质主要以氢氧化钾火溶液为主的电池：如：碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电池）、镉镍电池，镍氢电池等； 2、酸性电池，主要以硫酸水溶液为介质，如锌锰干电池（有的消费者也称之为酸性电池）、海水电池等； 3、有机电解液电池，主要以有机溶液为介质的电池，如锂电池、锂离子电池等。二：按工作性质和贮存方式划分 1、一次电池，又称原电池，即不能再充电的电池，如锌锰干电池，锂原电池

3、等； 2、二次电池，即可充电池，如镍氢电池、锂离子电池、镉镍电池等；蓄电池习惯上指铅酸蓄电池，也是二次电池； 3、燃料电池，即活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池，如氢氧燃料电池等； 4、贮备电池，即电池贮存时不直接接触电解液，直到电池使用时，才加入电解液，如镁化银电池又称海水电池等。三：按电池所用正、负极材料划分 1、锌系列电池，如锌锰电池、锌银电池等； 2、镍系列电池，如镉镍电池、氢镍电池等； 3、铅系列电池，如铅酸电池等； 4、锂离子电池、锂锰电池； 5、二氧化锰系列电池，如锌锰电池、碱锰电池等； 6、空气（氧气）系列电池，如锌空电池等。四：按电池的外形和尺寸划分有1号电池、A

4、A（5号）电池；AAA（7号）电池；方形电池；圆形电池等返回目录电池主要性能：容量容量：它表示在一定条件下（放电率、温度、终止电压等）电池放出的电量（可用微电脑蓄电池放电容量检测仪JS-150D做放电测试），即电池的容量。通常以安培小时为单位（简称，以AH表示，1Ah=3600C）电池容量C的计算式为C=t0It1dt （在t0到t1时间内对电流I积分）电池容量按照不同条件分为理论容量、实际容量与额定容量 1、理论容量：是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/

5、L(mAh/cm3)。 2、实际容量：是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为 Ah，其值小于理论容量。 3、额定容量：也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件(放电平台)下应该放出的最低限度的容量。指在一定放电条件下,电池放电至截止电压时放出的电量。影响电池容量因素：电池的实际容量,取决于电池中活性物质的多少和活性物质的利用率；活性物质的量一定的情况下，影响因素有放电率、终止电压、温度、极板的几何尺寸等。注：给一个电池进行恒流恒压充电，然后以恒流放电，放出多少电量就是这个电池的容量，如蓄电池，镍氢电池等，但是锂电池就不行，它有个最

6、低放电电压（即终止电压），即放电电压不能低于2.75V，通常以3.0V为下限保护电压。例如锂电池容量是1000mAh,则充放电电流就1000mA,在电池最高电压4.2V内放到3.0V，放出来的容量才是电池最真实的容量。返回目录电池主要性能：负载能力、自我放电、放电深度、过放过放、充电循环寿命、记忆效应负载能力：当电池的正负极两端连接在用电器上时，带动用电器工作时的输出功率，即为电池的负载能力。自我放电：电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。 电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电池之月自

7、放电率。 行业标准锂离子电池月自放电率小于12%。 电池自放电与电池的放置性能有关，其大小和电池内阻结构和材料性能有关。放电深度：在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为放电深度。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。过放电：电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。过充电：电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低

8、和损坏。充电循环寿命：电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命循环寿命与电池充放电条件有关。（移动的锂离子数目减少。）锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。记忆效应：与第一充电是电池容量有关。记忆效应是针对镍镉电池而言的，镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应。防止过充、过放的发生，需要电芯基础上增加保护板。返回目录电池主要性能：化成(加工中的一个步骤)化成：电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成，电池只有经

9、过化成后才能体现真实性能。 将做好的电池充电活化，产生电压，同时测试电池的容量。 化成主要有两方面的作用：一是使电池中的活性物质借助于第一次充电转成具有正常电化学作用的物质；二是使电极主要是负极表面生成有效的钝化膜(SEI 膜)，以防止负极自发与电解液发生反应，同时使活性物质与电解质之间有良好的接触。 其作用类似于对软盘的格式化。 注、化成是锂电池生产过程中的重要工序，他是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。 、电池的化学性物质，在没有化成（活化）之前，活化极低落。导电性也极低

10、，在加入电解液后，要经过反复的充放电，使电池极板激活，电解液充分的吸附到极板的每一个部位，这样电池的容量才能逐渐提高，化学活性物质才能不断的活化，并增加其化学活性物质的利用率，电池的容量才能不断的提高，所以电池在没有经过活化没有电能，这便是电池的化成（活化）目的。化成工艺：组装好的锂离子电池首先进行化成，：以0.1C恒流（40mA/g）充电到3.6V，再以0.2C恒流充电到4.2V，最后以4.2V恒压充电2小时。静置10min（静置条件根据电池特性各有不同，如60以下的恒温静置）,以0.2V恒流放电至2.5V3.0V（截止电压）终止。 重复以上动作（动作次数工厂根据工艺各有不同，一般三次。）。

11、返回目录附：SEI膜详解SEI膜：液态锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层，形成的钝化层能有效地阻止溶剂分子通过，却可以让Li+自由通过，具有固液电解质的特征，因此这层钝化膜被称为固体电解质界面膜（SEI膜）； SEI膜的影响：SEI膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的充放电效率；另一方面，能够有效的阻止溶剂分子的共嵌入，避免溶剂分子的共嵌入对电极材料造成的破坏。锂离子电池以碳材料（石墨）为负极，在初次循环过程中，电解液会在电极表面形成一层固态电解质（SEI）膜，不同的负极材料会有一定的差别，但

12、SEI膜的成分主要由碳酸锂、烷基酯锂、氢氧化锂等组成，当然也有盐的分解产物，另外还有一些聚合物等。注：SEI膜的形成过程会消耗电池中的锂离子，并且SEI膜并不是稳定不变的，会在循环过程中不断的破裂，露出来新的碳表面再与电解质反应形成新的SEI 膜，这样会不断造成锂离子和电解质的持续损耗，导致电池的容量下降。SEI膜有一定的厚度，虽然锂离子可以穿透，但是SEI膜会造成负极表面部分扩散孔道的堵塞，不利于锂离子在负极材料的扩散，这也会造成电池容量的下降。返回目录补充01电压U、容量mAh与电功Wh关系。电压:也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。容量：通俗

13、点讲电池容量的物理意思就是指该电池能够容纳或释放多少电荷。(前有详解，此处指实际容量。)根据电流的定义式：I=Q/t ，可知Q=It，电流I的单位时mA（毫安），t代表的是时间，单位hour(时)，因此我们的电池容量单位就为mAh。电功:电池可做的功W=UIt=UQ。电压U *电流I的单位为W（瓦），因此电池里的W用Wh来表示，它表示电池能够做多少的功 。锂电池的电压是电极电势决定的，锂离子的电极电势约是3V，锂电池的电压随材料不同而有变化。如：一般的锂离子电池额定电压为一般的锂离子电池额定电压为3.7V，满电电压为4.2V；换句话说，实用中的锂离子电池正极和负极之间的电势差不能超过4.2V，

14、这是一种基于材料和使用安全性的需要。Wh它是和电压、电流、时间成正比关系的量。而它是和电压、电流、时间成正比关系的量。而mAh通常作为电池充、放电通常作为电池充、放电的指标，它是和电池的充（放）电电流、时间成正比的指标，要让它和的指标，它是和电池的充（放）电电流、时间成正比的指标，要让它和Wh有可比有可比性或可换算性，还必须知道电池的电压。简单来说性或可换算性，还必须知道电池的电压。简单来说Wh=mAh/1000*U。目前公司采购锂电池电压集中为两种：3.7V / 7.4V（电池串联）。补充02锂电池并联、串联时电压、容量的变化可以这样比喻：电池就像马路，容量就像宽度，电压就像长度。串联以后,

15、路变长了，但宽度没有变。所以，电池串联，电压升高，但容量不变。并联以后路变宽了，但长度没有变。所以，电池并联，电压不变，但容量升高。01串联电流相同，电压相加，串联电流相同，电压相加，容量不变；容量不变；02并联电流相加，电压不变，并联电流相加，电压不变，容量相加容量相加详解：假设单个电池以一定的电流（I）放电，放电时间为t，容量为CN个电池串联：以一定的电流（I）放电，流经每个电池电流都为I，每个电池正负极发生反应的物质的量为与单个电池的相同，所以不管串联多少个电池，容量就等于一个电池的容量C。容量虽然没变，但是功率却是单个电池的N倍，因为串联后电压是原来的N倍。 N个电池并联：以一定的电流

16、（I）放电，流经每个电池的电流为I/N，每个电池正负极上发生反应的物质的量为单个电池的1/N。当并联的电池放电结束后，放出的总的电量为单个电池容量的N倍。第二章：锂电池第二章：锂电池电芯基础知识电芯基础知识电芯分类：1、以包装的方式分为三类： 钢壳喷码中以S（Steel）区分； 铝壳喷码中以Al区分； 软包装喷码中以P（Polymer）区分；2、以内部的物质不同分为两类： 锂离子电芯（液态锂离子电芯Li-ion） 锂聚合物电芯（Li-Polymer）3、以结构不同来分类 方形电芯 圆柱形电芯。液态锂离子与聚合物锂离子的区别 聚合物锂离子电池所用的正负极材料和液态锂离子电池都是相同的，工作原理也

17、基本一致。 主要区别在于电解质的不同，锂离子电池使用的是液态电解质，而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来替代，目前公司大部分采用液态锂离子电池返回目录电芯的命名：圆柱形的型号命名圆柱形的型号命名圆柱形的型号命名由三个字母和五位数字组成。 第一个字母表示电池采用的负极体系。字母I表示采用具有嵌入特性负极的锂离子电池体系，字母L表示金属锂负极体系或锂合金负极体系。 第二个字母表示电极活性物质中占有最大重量比例的正极体系。字母C表示钴基正极，字母N表示镍基正极，字母M表示锰基正极，字母V表示钒基正极。 第三个字母表示电池形状，字母R表示圆柱形电池。三个字母后的四位数字表示电池的直径、高度；当电池

18、中至少有一个尺寸大于或等于100mm时，在直径和高度的数字之间应加“/”。示例1： ICR18650表示直径为18mm，高度为65mm，以钴基材料为正极的圆柱形锂离子电池；示例2： ICR20/1050表示直径为20mm，高度为105mm，以钴基材料为正极的圆柱形锂离子电池；返回目录电芯的命名：方形的型号命名方形的型号命名 方形锂电池的型号命名由三个字母和六位数字组成；其中第一、第二个字母的含义与圆柱形电池的一致，第三个字母以“P”表示电池的形状； 三个字母后面的六位数字分别表示电池的厚度、宽度和高度； 当其中至少有一个尺寸大于等于100mm时，需用“/”隔开，当其中至少有一个尺寸小于1mm时

19、，取其整数表示该尺寸，并在该整数前添加字母t；示例1： ICP083448表示厚度为8mm，宽度为34mm，高度为48mm，以钴基材料为正极的方形锂离子电池；示例2： ICP08/34/150表示厚度为8mm，宽度为34mm，高度为150mm，以钴基材料为正极的方形锂离子电池；示例3： ICPt73448表示厚度为0.7mm，宽度为34mm，高度为48mm，以钴基材料为正极的方形锂离子电池；返回目录电芯结构主要由正极、负极、隔膜、电解液、外壳五金件组成。1、正极的成分主要采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2 或LiXMnO2 为活性物质，以及导电剂、溶剂、粘合剂、基体；2、负极采用锂-碳

20、层间化合物LiXC6。活性物质（石墨、MCMB)粘合剂、溶剂、基体； 一般负极的尺寸比正极大，负极的头部和尾部都应比正极大，以能够完全包住正极片为标准，且负极的容量应比正极大；4、隔膜（PP+PE）； 隔膜的性能：需要有良好的化学、电化学、机械稳定性；隔膜在150下搁置至少要保持10分钟性能不变。隔膜需要一定的收缩率。5、电解质为溶解有锂盐LiPF6 、 LiAsF6等有机溶液；6、外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）。返回目录电芯电化学反应机理 011、正极构造 LiCoO2(钴酸锂)+导电剂+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）2、负极构造 石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)

21、+ 集流体（铜箔）3、工作原理 正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 负极反应：C + xLi+ + xe- = CLix 4、电池总反应： LiCoO2 + C =Li1-xCoO2 + CLix 放电时发生上述反应的逆反应。返回目录电芯电化学反应机理 02 充电过程中，正极活性物质LiCoO2失去Li，失去XLi后，其结构会发生变化，其稳定性取决于X的大小。当X0.5时，正极的钴酸锂结构变得极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制X值，一般充电电压不大于4.2V，那么X就小于0.5，此时钴酸锂的晶型

22、结构仍然是稳定的； 负极C6本身是层状的结构，有许多微孔，充电过程中，Li原子便是储存在这些微孔当中；当放电时，负极的Li原子回到正极，但必须有一部分的Li留在负极C6中，以保证下次充放电时Li的正常嵌入；通常设置下限电压不小于2,75V，就可以保证有一部分Li留在负极中； 放电过程中，回到正极的Li原子数越多，则该电池的容量越大。返回目录电芯结构（图解）返回目录电芯结构（图解）返回目录第三章：电池保护板知识第三章：电池保护板知识从本文档前文所述，可知电池在充电、放电过程中，过充、过放对电池本身会造成不可挽回的损失，而电芯本身对充、放电过程中并无自身监控功能，所以在电池加工时，为了保证电池使用

23、性能以及安全性会在电池加工时增加“保护板”。保护板功能：过充保护功能，过放保护功能，短路保护功能，过流保护功能，过温保护功能，均衡保护功能。详解：1：过充电保护：当外部充电器对其充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。此时，保护IC需检测电池电压，当达到4.25V时（假设电池过充点位4.25V）即启动过充保护，将功率MOS由开转为切断，进而截止充电。 过充的危害：过充可能导致漏液、变形、起火；在恒压失效后随着充电的加深，电压达到一定程度（一般限值是6.0V）会引起爆炸；2：过放电保护：放电状态下，当电池两端的电压低于其过放电电压检测点（假定为2.5V）时将启动过放电保护，使功

24、率 MOSFET 由开转为切断，进而截止放电，避免电池过放电现象产生，并将电池保持在低静电电流的待机模式，当锂电池接上充电器，且此时的电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除；3：短路保护：当使用过程中因为异操作造成短路，截断电池放电。返回目录锂电池保护板（图示）在串联锂电池组中，保护板充满电时能保证各单体电池之间的电压差异小于设定值（一般20mV），实现电池组各单体电池的均充，有效地改善了串联充电方式下的充电效果。同时检测电池组中各个单体电池的过压、欠压、过流、短路、过温状态，保护并延长电池使用寿命。欠压保护使每一单节电池在放电使用时避免电池因过放电而损坏。返回目录锂电池保护板品牌简

25、介日本精工和锂光最好，但是最贵。1、保护IC的生产商： 日本精工，日本理光，日本美之美，台湾富晶，台湾新德，北京中星微，杭州士兰。2、MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）的生产商： 台湾捷拓，台湾ANPEC茂达，仙童FAIRCHILD，台湾华瑞CET，意法ST，日本三洋SANYO，美国AOS，台湾三合微，台湾南海。补充： 在电池保护系统中，锂电池保护板是由 保护IC和MOSFET管 构成。 MOSFET管：金属-氧化物半导体场效应晶体管。 MOSFET串在主充放电回路中担当高速开关，执行保护动作。 电池过充、过放等非常态状态由保护IC来判断,由保护IC来控制一对Mosfet场效应管来

26、导通和切断主供电回路,从而实现对锂离子电芯进行保护。返回目录第四章：电池加工工程第四章：电池加工工程1、电子料来料检测2、胶壳来料检验3、电芯分容4、电芯配对5、电芯点焊6、电池超声7、电池综合测试8、机器测试9、电池贴标10、电池装盒电池组装流程图：返回目录电池组装流程详解返回目录附：成品电池出厂检验报告返回目录电芯制造过程返回目录锂离子电芯生产用的主要设备01全自动超声焊接导电炳设备：当超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种达到一定振幅的高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不

27、能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。 其优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工；缺点是所焊接金属件不能太厚（一般小于或等于5mm）、焊点位不能太大、需要加压。返回目录锂离子电芯生产用的主要设备02返回目录分容：电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容 。简单理解就是容量分选、性能筛选分级。第五章：成本分析第五章：成本分析电池成本构成（以18650为例）：从上图表可以看出：1、电池总成本中 PCB板+电芯 成本所占比例大，达到80%以上。其中又

28、以PCB所占成本比例大，在50%以上。2、影响电池价格波动的主要原材料是 PCB板+电芯。返回目录电芯成本构成（以18650为例）备注1：LiCoO2正极材料的制备方法,通常是将碳酸锂 (Li2CO3)和钴的氧化物（如碳酸钴CoCO3或碱式碳酸钴）2CoCO33Co(OH)23H2O、氧化亚钴CoO、氧化钴Co2O3或Co3O4等),在空气中900加热5h左右,固相热合制备而成。主要反应式：2CoCO33Co(OH)23H2O+5/2 Li2CO35LiCoO2+5/2CO+2CO2+6H2O；2Co3O4+3Li2CO3+1/2O2 6LiCoO2+3CO2。从上图表可以看出：1、电芯总成本中“正极原料、电解液、负极原料、隔膜、铜箔”五项所占