锂离子电池介绍讲课稿

1、锂离子电池(dinch)介绍研发部第一页，共21页。简介(jin ji)n锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。n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。 也可以充电，但循环性能差。n锂离子电池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(shn chn)，生成(shn chn)的锂离子经过电解液运动到负极。在Li-ion Batteries的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把

2、摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。 第二页，共21页。锂离子电池锂离子电池(dinch)组成部分组成部分 n正极活性物质一般为钴酸锂、镍钴锰酸锂材料和磷酸铁锂材料，导电集流体使用厚度1020微米的电解铝箔。n隔膜一种特殊的复合膜，可以让离子通过，但却是电子的绝缘体。n负极活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度715微米的电解铜箔。n有机电解液溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。n电池外壳分为(fn wi)钢壳（现在方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包

3、装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。 第三页，共21页。锂离子电池(dinch)反应机理n正极反应(fnyng)：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 充电时：LiFePO4 Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- 放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- LiFePO4 n负极反应(fnyng)：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。 充电时：xLi+ + xe- + 6C LixC6 放电时：LixC6 xLi+ + xe- + 6C 第四页，共21页。锂离子电池(dinch)优点n电压高，单体电池的工作电压高达3.73.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni

4、-Cd、Ni-H电池的3倍。n比能量大，材料能达到150mAh/g以上的比容量，比能量34倍于Ni-Cd，23倍于Ni-MH。 n循环寿命长，一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。 n安全性能好，无公害，无记忆效应。 n自放电小，室温下充满电的Li-ion Batteries储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd和Ni-MH电池。n可快速充放电，1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，现在(xinzi)磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。n工作温度范围高，工作温度为-2545C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-

5、4070C。 第五页，共21页。锂离子电池(dinch)缺点合格率：不合格率高，大约有1的电池因种种原因不合格。 不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命缩短。 不耐受过放：过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。成本高：如橄榄石型的磷酸铁锂材料，具有安全性高（不存在爆炸的理论危险），使用寿命长、可以大电流充放电等优异性能。但是生产成本高、材料堆积密度小，不利于生产控制。另外锂离子电池需要多重保护机制(jzh)：由于错误使用会减少寿命，甚至可能导致爆炸，所以，锂离子电池设计时增加了多种保护机制(jzh)。 如保护电路：防止过充、过

6、放、过载、过热。 第六页，共21页。 另外，国外有报道LiVO2亦能形成层状化合物，可作为(zuwi)正极电极材料。 n种类n 目前锂离子正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。右表为不同(b tn)的正极材料对照：正极材料平均电压能量密度LiCoO2 3.7V140mAh/gLiMn2O4 4.0V100mAh/gLiFePO4 3.3V170mAh/gLiNiO23.6V190 mAh/g锂离子电池(dinch)正极材料第七页，共21页。 从目前国内外对正极材料的研究可看出，其电容量以每年3050mAh/g的速度在增长，发展趋向于微结构(jigu)尺度越来越小，而电容量越来越大的嵌锂化

7、合物，原材料尺度向纳米级挺进，关于嵌锂化合物结构(jigu)的理论研究已取得一定进展，但其发展理论还在不断变化中。困扰这一领域的锂电池电容量提高和循环容量衰减的问题，已有研究者提出添加其它组分来克服的方法。锂离子电池正极(zhngj)材料第八页，共21页。锂离子电池负极(fj)材料 (1) 碳材料：石墨化碳材料、无定型碳材料。如石墨、软碳、中间相碳微球已在国内有开发和研究，硬碳、碳纳米管、巴基球C60等多种碳材料正在被研究中。 (2) 其它(qt)材料：氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金、纳米氧化物等。负极材料比容量（mAh/g）电位/V（Vs.Li/Li+）密度（g/cm3）循环性能安全性

8、能成本MCMB（中间相碳微球）3203600.20.082.20较好差高NGR（天然石墨）3403800.20.082.25较好差低HC（硬碳）2504501.501.8-2.1良较好较低修饰人造石墨3203400.20.082.20好较好高Li4Ti5O121501751.553.47非常好好较高第九页，共21页。n存在问题n (1)电压滞后，即锂的嵌入反应在00.25V之间进行（相对于LiLi）而脱嵌反应则在1V左右发生；n (2)理论上还需进一步深化。这有赖于各种高纯度、结构规整的原料及碳材料的制备和更为有效(yuxio)的结构表征方法的建立。 n发展方向 n (1)更小的纳米尺度的嵌锂

9、微结构 。n (2)制备高纯度和规整的微结构碳负极材料。锂离子电池(dinch)负极材料第十页，共21页。锂离子电池(dinch)电解质n目前使用和研究的电解质包括液体(yt)电解质、全固态电解质和凝胶型聚合物电解质。n溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸 、锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。n n溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、 丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂易带来易燃、易爆等安全性问题。 第十一页，共21页。锂离子电池(dinch)用隔膜n隔膜是液态锂离子二次电池的重要组成部分，在电池中起着防止

10、正/负极短路，同时在充放电过程中提供离子运输电通道的作用，其性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。锂离子电池隔膜的材料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）单层微孔膜，以及由PP和PE复合的多层微孔膜。 n目前，多层隔膜的研究受到广泛关注，多层隔膜结合了PE和PP的优点。如PPPEPP 3层隔膜，具有更好的力学性能，PE夹在2层PP之间可以(ky)起到熔断保险丝的作用，为电池提供了更好的安全保护。n目前，世界上只有日本、美国等少数几个国家拥有锂离子电池聚合物隔膜的生产技术和相应的规模化产业。 第十二页，

11、共21页。锂离子电池(dinch)安全 在锂离子电池安全性方面的考虑主要从电池材料的选择、电池电化学设计、电池结构设计、添加剂的应用、充电制度等方面来进行。1）隔膜的自动关断保护 国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达到120的情况下，复合膜两侧的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。2）电解液方面的安全保护措施 有机电解液体系安全方面的研究主要包括防止过充电、阻燃性电解液、电氧化聚合物保护等。3）电池盖复合结构和安全阀 电池盖采用刻痕防爆结构或设安全阀，电池升温时，电池

12、内部活化过程中所产生的部分气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度刻痕破裂、放气。或在电池的上盖上设计安全阀，当电池内部的压力达到一定值时，安全阀开启，放气。4）外接保护电路 锂离子电池在使用时常外接保护电路,一方面防止过充、过放以避免循环寿命的缩短,另一方面也起到防止电池滥用、误用的作用。好的锂离子电池保护电路都具有温度保护和电流(dinli)保护，当充放电电流(dinli)、电池温度大于相应设定的保护值时,保护电路都将终止电池工作。5）各种环境滥用试验等 对电池进行各项滥用试验，如外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。同时对电池进行温度冲击试验和振动、跌落、冲击等力学

13、性能试验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。 第十三页，共21页。锂离子电池(dinch)电性能序号项目性能占额定容量的百分比%1容量 Ah31.52重量比能量Wh/Kg 76.503体积比能量Wh/L 140.874倍率6.67C放电性能 29.5698.5%5高温55度充放电性能 31.17103.9%6低温-20度放电性能 19.0263.4%7低温-20度充放电性能 26.0186.7%8倍率6.67C充电容量 26.2687.5%第十四页，共21页。锂离子电池(dinch)工况循环在30%SOC-76%SOC区间内循环，电池(dinch)充电最高电压为3.73V，电池(dinch)最低放电电压为3.02V。满足整车的工况要求.第十五页，共21页。锂离子电池(dinch)安全性能性能试验内容:跌落过放电加热短路针刺挤压过充电 通过单体电池的安全性能(xngnng)试验，单体30Ah磷酸铁锂电池在做安全试验过程中没有发生爆炸和着火现象。第十六页，共21页。锂离子电池安全(nqun)性能性能过放电(fng din)性能:第十七页，共21页。锂离子电池安全(nqun)性能性能加热(ji r)试验短路(dunl)试验针刺试验挤压试验第十八页，共21页。锂离子电池(dinch)安全性能性能过充电(chng din)试验过充电(chng din)试验第十九页，共21页。动