锂电池知识及生产流程课件

锂电池知识及生产流程一、锂电池基本知识

锂离子电池的特点运用于汽车领域正成为一项核心技术优点：重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛，是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用动力。缺点是价格较贵、安全性较差。不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料，大大提高了锂离子电池的安全性，而且降低了成本。锂离子电池分类锂离子电池聚合物锂离子电池(LIP)电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。固体聚合物电解质凝胶聚合物电解质聚合物正极材料液态锂离子电池(LIB)聚合物锂电vs.液态锂电聚合物——下一代锂离子电池优势1：用固体电解质代替了液体电解质具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点；不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，由此用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而提高整个电池的比容量。优势2：可采用高分子正极材料其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50％以上。优势3：在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。劣势：工作温度、循环性能上需要突破锂离子电池产业链分析电芯原材料：正负极材料、电解液、隔膜等。电池制造商：电芯制造；PACK组装。锂电池应用领域：矿灯、电动车、电子消费品等矿资源：钴、镍、锰、磷、铁、锂及各种化合物上游中游最上游下游上游：电芯原材料是锂电产业中最核心的环节。电芯原材料包括：正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电剂、粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜等。电池成本分布如下：中游：电芯制造和PACK组装劳动密集型的产业，国内外涉足企业众多。产业主要分布在日本、韩国、中国和台湾。大厂竞争优势明显，例如：索尼、三洋、三星、LG化学、比亚迪、比克、力神、ATL能源这样的锂电巨头。近两三年来发展迅猛。下游：电池应用领域锂电池的应用领域极广，涉及低端、中端、高端三块市场，可以应用于电动工具、UPS电源、矿灯、玩具、电动自行车、电动汽车等领域，这些都是关系民生的消费量，此外在军事和航天领域也是一种最佳的动力电池。由于台湾厂商在全球NB及手机等市场的极大影响力，带动了国内锂电池产业发展。目前，我国锂电产业以NB及手机为主要应用，并逐步扩张至高功率的电动手工具、电动车等市场。全球关注焦点——新能源电动/混合动力汽车常见正极材料性能比较

（按目前工艺）正极材料钴酸锂*镍钴锰三元材料锰酸锂磷酸铁锂*材料结构层状氧化物层状氧化物尖晶石橄榄石振实密度(g/cm3)2.8-3.02.0-2.32.2-2.51.0-1.4比表面积(m2/g）0.4-0.60.2-0.40.4-0.812-20克容量(mAh/g）135-145155-190100-120130-150电压平台(V)3.63.5-3.63.7-3.93.2-3.3循环次数>=300>=800>=500>=2000过渡金属贫乏贫乏丰富非常丰富原料成本(USD/g)很高(26-50)高(22-40)低廉(15-28)低廉(15-28)环保含钴含镍、钴无毒无毒安全性能差，稳定性低较好良好优秀合成困难度容易难难中等温度耐受性尚可，-20~55℃以外会衰退尚可，-20~55℃以外会衰退差，高于50℃迅速衰退极佳（-40~70℃仍正常使用）适用领域小电池小电池/小型动力电池动力电池动力电池/超大容量电池缺点材料成本高安全性低安全性待加强高温自放电循环寿命短导电度差体积大正极材料2009年市场预测资料来源：IITLIB-relatedStudyProgram08-09(March2009)注：LCO=钴酸锂，NMC=

锂钴镍锰三元材料，LNO=镍酸锂，LMO=锰酸锂，LFP=磷酸铁锂图1：锂离子电池正极材料平均价格变动趋势

如图1所示，几乎没有一家公司选用LCO作为汽车锂离子电池正极材料。在当前市场中（主要集中于便携设备），即使锂金属及相关物质价格在下降，但是钴使用量下降的趋势不会停止。预计LCO在09年的所占的市场份额将从08年的69%下降到50%。锂电供应商使用正极材料的比例图2：各家锂电池供应商使用正极材料的比例资料来源：IITLIB-relatedStudyProgram08-09(March2009)注：LCO=钴酸锂，NMC=

锂钴镍锰三元材料，LNO=镍酸锂，LMO=锰酸锂，LFP=磷酸铁锂电芯原材料之负极材料篇负极材料占锂电成本比例较低，在国内已经实现产业化，行业前三甲企业是深圳贝特瑞、上海杉杉、长沙海容，基本满足国内市场需求。碳负极材料:被目前商品锂离子电池广泛采用优点：安全、循环寿命较长，价格低廉、无毒缺点：质量比能量比较低非碳负极材料:按组成分类：锂过渡金属氮化物、过渡金属氧化物和纳米合金材料。优点：有很高的体积能量密度。缺点：循环稳定性差，不可逆容量较大，制备成本较高，尚未产业化。负极材料未来发展趋势以提高容量和循环稳定性为目标，将碳材料与各种高容量非碳负极材料复合以开发高容量、非碳复合负极材料。负极材料的类别及特点、制造工艺，详见《锂离子电池负极材料详解》负极材料目前产业化现状在锂离子电池负极材料中，石墨类碳负极材料以其来源广泛，价格便宜，一直是负极材料的主要类型。我国拥有丰富的天然石墨矿产资源。除石墨化中间相碳微球（MCMB）、低端人造石墨占据小部分市场份额外，改性天然石墨正在取得越来越多的市场占有率。据来自全球电池强国日本的权威信息表明：深圳市贝特瑞电子材料有限公司研发生产的锂电池负极材料目前处于国内第一，世界第四的地位。公司研制、生产的高端负极材料产品，首次放电容量达360mAh/g以上，首次效率大于95%，压实比达1.7g/cm3，循环寿命500次容量保持在88%以上。产品出口至日本、韩国、美国、加拿大、丹麦、印度等国家，并在国内40余家锂电厂家应用。该公司年产1800吨天然复合石墨、1200吨人造石墨负极材料、3000吨球形石墨、5000吨天然微粉石墨和600吨锰酸锂正极材料，并正在不断扩大生产规模。电芯原材料之隔膜篇认识锂电池隔膜锂电池隔膜材料类别国内外锂电池生产企业介绍国内隔膜产业发展现状国内隔膜市场容量分析锂电池隔膜发展趋势隔膜产业投资分析锂电隔膜评级指标详见《锂离子电池隔膜及市场详解》电解液:未来工艺和市场发展趋势目前全球锂电电解液市场供求基本平衡，主要是靠锂电池市场，未来则看电动车行业发展。初步估算，一辆混合动力车需要电解液40公斤，而全球电动车辆2010年预计260万辆，其中锂电份额占10%，大约需要1.04万吨电解液，至2015年，电动车辆数量将达到900万辆，锂电份额占60%，届时消耗的电解液将达到2.4万吨。因此，电解液3-5年后依然是一个朝阳产业。锂离子电池电解液材料未来——高安全性、高环境适应性；主要发展将集中在：新型溶剂（工作温度范围拓宽）、离子液体、新型锂盐（提高环境适应性）、添加剂（阻燃、氧化还原穿梭、保护正负极成膜等）等方面，与新型正、负极材料相匹配，提高安全性、功率和容量，最终安全方便地应用于电动车、储能、航天以及更广泛的领域。电芯原材料之其他材料篇在锂离子电池成本占比方面，粘结剂、导电剂、极耳、铝塑复合膜较低。粘结剂、导电剂、铝塑复合膜毛利较高，产品主要依赖进口。粘结剂由阿科玛（法）、苏威（比）、三井化学（日）、吴羽化学（日）供应。导电剂由瑞士特密高供应。铝塑复合膜由大日本印刷、日本昭合供应；上述企业在国内均有代理商。特别篇：磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池定义磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂正极材料

磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定。同时，该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点，是目前电池界竞相开发研究的热点。该材料具有发上图所示的晶体结构。工作电压范围：2.5～3.6V，平台约3.3V，比钴酸锂电池3.7V低一些。由于该材料导电性差，需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒，或者往磷酸铁锂颗粒表面包覆导电碳材料，提高材料的电子电导率；或掺杂金属离子来提高导电性。这样材料的密度低，做成电池的体积比容量低，只有180Wh/L（钴酸锂可做到400Wh/L以上），在小电池领域，同样尺寸电池只有现有电池容量的一半不到。

磷酸铁锂电池产业：优势分析1、磷酸铁锂产业符合政府产业政策的导向，各国都把储能电池和动力电池的发展放在国家战略层面高度，配套资金和政策支持的力度很大，中国在这方面有过之而不及，过去关注镍氢电池，现在则把目光更多的集中到磷酸铁锂电池上。2、LFP代表了电池未来发展的方向，随着技术成熟，甚至可能成为最廉价的动力电池。3、磷酸铁锂产业的市场蛋糕大的超乎想象，正极材料最近三年的市场容量有上百亿，三年后每年的市场容量将超过100亿元，并呈现不断增长的趋势，而电池更是有超过5000千亿美元的市场容量。4、根据电池产业发展的规律，材料和电池行业基本呈现稳定增长的趋势，抗周期性好、受国家宏观调控的影响小。而磷酸铁锂作为新型的材料和电池，随着市场扩大和渗透率提高，产业增长速度明显快于电池行业整体发展速度。5、磷酸铁锂电池应用领域广泛。6、磷酸铁锂产业利润率非常之高。而且由于未来强大市场的支撑，行业在长时间内可保证此高利润率。7、磷酸铁锂行业在材料方面技术壁垒很高，可以避免过分竞争。8、磷酸铁锂产业不会过分依赖国外市场，原料和设备也不会受制于国外企业，国内整个产业链相对是比较成熟的，只不过国内企业在对设备、工艺的理解和控制上略逊于国际领先企业。磷酸铁锂电池产业：劣势分析1、磷酸铁锂产业还处于初级阶段，最大的风险在于技术，而技术的瓶颈不是局限在某一点，而是涉及到整个产业链。目前看来，材料技术、电池组技术和电池控制系统这三项关键技术都没有得到完美的解决。在这三个领域里面，国内都有企业涉足，但是还没有一家真正意义上成功的企业。因此，短期内磷酸铁锂很难有大的作为，特别是在混合动力或纯电动汽车应用方面。2、磷酸铁锂第二个制约的瓶颈是成本问题。虽然磷酸铁锂电池有部分已渗透到电动工具、电动玩具、矿灯、UPS电源、电动自行车或其他代步车等市场，但是在推广过程中难度依然很大，主要原因是在价格上没有竞争优势，镍氢、镍镉、铅酸电池仍然占据市场的主导。对于很多企业瞄准的新能源汽车市场受制于技术和使用环境，要打开局面还需要等待很长时间。因此，“磷酸铁锂现在没有市场”也是不争的事实。3、第三个比较突出的问题是磷酸铁锂行业现在处于无序的状态，产业分工不明确，上下游衔接不畅。导致材料商生产的材料得不到很好的利用，结果只能自己去做电芯；电芯厂买不到合适材料，结果自己去搞材料。很多企业刚开始的时候定位很明确，只做一个环节，到后来把产业链拉得很长，结果人才、资本和管理跟不上导致项目失败。4、磷酸铁锂行业人才分散，形成不了一种互补机制。磷酸铁锂是一项高科技的产业，项目成败不是靠个人，而是靠一个团队。但国内大部分磷酸铁锂企业都是靠1-2技术人员在支撑，没有团队的概念。这个行业目前技术人员心态浮躁的居多，只要是有点能耐的，都不甘当配角，而是喜欢自立门户。优秀的人才集结不起来，是这个行业很致命的问题。

产业政策解读>直接相关篇早期：国家科技部“九五”计划：“先进电池及其材料产业”被列入重大科技专项。“十五”期间，“863”计划第二批发布的项目指南中，明确了高能比、大容量、长寿命锂离子电池材料的研究重点。可惜这两条政策颁布的时间较早，但只停留指导层面，没有实质性的措施。后续：国家863计划投资20亿资助“电动车”重大专项，科技部“973”计划启动了“绿色二次电池新体系”课题，并投资3000万资助LiFePO4材料，作为对电动车项目的基础研究的补充；“十一五”高技术产业发展规划将磷酸铁锂材料列入重点支持的领域。这里明确了锂电重点支持的对象和资助的金额，但扶持的力度是有限的。近期：国家安监总局明文规定：自2006年4月1日起，所有煤矿必须全部换用新型矿灯，由于磷酸铁锂电池安全性能异常优异，是目前矿灯电池的首选。2006年9月14日，国家财政部等五部委联合印发了《关于调整部分商品出口退税率和增补加工贸易禁止类商品目录的通知》。根据《通知》规定，铅酸蓄电池、氧化汞电池的出口退税政策被取消，而将锂电池出口退税13%上调至17%。这对锂电行业的发展是实质性的利好。产业政策解读>间接影响篇2008年1月24日，财政部、科技部发出了《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》，决定在北京、上海、重庆、武汉、深圳等13个城市以财政政策鼓励在公交、出租、公务和环卫等公共服务领域率先推出新能源汽车，对推广与使用单位购买节能新能源汽车给予补助。2009年2月5日，财政部确认了中央财政对购置新能源汽车给予补贴的对象和标准，其中购车补贴标准最高的为最大点功率比50%以上的燃料电池公交车，每辆车可获得60万元的推广补助。这一补贴政策适用于镍氢、锂离子电池和燃料电池汽车，补贴的力度根据节油量而定，并没有对那类新能源车有特别倾斜。国家电网公司目前制订了“十一五”期间详细的车辆替换和运行计划，以及电动电力工程车辆替换的优化设计方案，并已经在北京、上海、天津、山东、浙江、湖北、湖南等省（市）试点区域开始付诸实施。2009年3月20日公布的《汽车产业振兴规划》指出，到2011年形成10亿安时车用高性能电池的生产能力，形成50万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量的5%左右。《规划》针对性地提出推广使用节能和新能源汽车的5项政策措施，一是启动国家新能源节能和示范型汽车工程。二是县级以上人民政府制定规划，优先在城市公交、出租、公务、环卫、机场等领域推广使用新能源汽车。三是建立电动汽车快速充电网络，加速停车场等公共场所公用充电设施的建设。四是在政府采购中对自主创新的新能源汽车实施政府优先采购。五是增加110亿元专项资金，重点支持新能源汽车和零配件发展。行业政策现状和预测目前中国针对锂电行业的政策措施还没有完全明确到位，主要原因有几点：一是国家制定政策先从大处着眼，比如针对风电、太阳能、新能源汽车都做了明确的产业规划并颁布了相应的政策措施，锂电作为与新能源配套的产业，在现阶段各项政策措施不能马上到位情有可缘，好在目前在各方的呼吁下已被提上议程；此外，中国对锂电是否代表储能和动力电池的未来终极方向还是存有异议，目前国家也是鼓励多种技术并存，对燃料电池、镍氢电池、超级电容等都是鼓励发展，没有对哪项技术有特别青睐。近年来，新能源领域呈现一股投资热潮，风电、太阳能已经开始大量应用，新能源汽车也逐步走上市场，这在很大程度上得益于国家产业政策的刺激。但产业政策不可能一成不变，就以风电为例，国家过去更多的是扶持整机厂商，目前则转向扶持关键的零部件厂商。对于新能源汽车也是同样如此，现在整车制造和充电站建设显得非常迫切，相关的企业受益会多一些，等到市场趋于成熟后，相应的补贴政策可能被取消，而掌握核心技术的企业必然受到推崇，其中动力锂电池企业首当其冲，其次是电机、电池管理系统（BMS）、DC转换器等相关企业。锂电产业行业标准当前动力锂电池产业已经正在从关键技术和产品研究阶段向产业化建设、规模化推广应用和市场体系建设的历史新阶段快速推进，节能与新能源汽车等科研项目在推动动力锂电池关键技术和产品研究阶段起到了关键性的作用。动力锂电池电源系统相关七项行业标准，被正式列入国家发改委2008年～2009年标准制定计划，中国电子商会电源专业委员会、北京电源行业协会作为行业利益的代表承担标准工作，联合相关企业、科研院所和大专院校，争取在两年左右基本完成我国动力锂电池系统的基础标准化体系、公共服务体系、公共技术支撑体系和规范的市场体系。动力锂电池电源系统相关行业标准主要有《动力锂电池总成通用要求》、《锰酸锂动力锂电池模块通用要求》、《磷酸铁锂动力锂电池模块通用要求》、《动力锂电池总成接口和通讯协议》、《动力电池充电设备通用要求》和《动力电池充电设备接口和通讯协议》。33二、锂电池生产流程

34电池（battery）电池是指通过正负极之间的电化反应将化学能转化为电能的装置。充电时，将电能转化为化学能进行储存。放电时，将化学能转化为电能释放，作为电源供用电器。活性物质：电池充放电时，能进行氧化或还原反应而产生电能和储存化学能的电极材料。35什么叫锂离子电池？

Li-Ionbattery锂离子电池是指Li+

嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2

、LiXMnO2

、LiFePO4和三元复合材料。负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。在充放电过程中，Li+

在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象的称为“摇椅电池”。充电池时，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。36圆柱型锂离子电池的制造工艺流程正极配料来料检验负极配料正极涂布负极涂布正极制片负极制片隔膜卷绕入壳烘烤短路检验滚槽注液封口化成密封性检验分容外包装出厂出厂检验湿度控制37锂离子电池结构正极活性物质

导电剂、溶剂、粘合剂、基体负极活性物质（石墨、MCMB、CMS)

粘合剂、溶剂、基体隔膜电解液外壳五金件（钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片、绝缘胶带）38圆柱形锂离子电池结构图正极极耳负极极耳密封圈限流开关隔膜下绝缘垫上绝缘板39锂离子电池结构——正极正极基体：铝箔（约0.016mm厚)正极物质：LiFePO4+碳黑+PVDF正极集流体：铝带（约0.1mm厚）高温胶带（约0.05mm厚）电池放电时从外电路获得电子的电极,此时电极发生还原反应。通常是电位高的电极。锂离子电池中的钴酸锂、锰酸锂电极等。40锂离子电池结构——负极负极基体：铜箔（约0.010mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR负极集流体：镍带（约0.07mm厚）电池放电时向外电路输送电子的电极，此时电极发生氧化反应。通常是电位低的电极，锂离子电池中石墨电极。41锂离子电池结构——隔膜材质：单层PE（聚乙烯）或者三层复合PP（聚丙烯）

+PE+PP厚度：单层一般为0.016～0.020mm

三层一般为0.020～0.025mm隔膜﹝separationfilm﹞——是放置于两极之间，作为隔离电极的装置，藉以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路。但隔膜仍需能让带电离子通过，以形成通路。隔膜要求：①离子透过度大②机械性强度适当③本身为绝缘体④不与电解液及电极发生反应42锂离子电池生产用的主要设备1.真空行星搅拌机用途：将各种电池材料均匀的搅拌成浆状。432.电极涂布机：用途:搅拌后的浆料均匀涂膜在金属箔片上。对浆料的涂布厚度精确到3微米以下。443.辊压机：涂布后的极片进一步压实，提高电池的能量密度。454.极片分切设备465.全自动超声焊接导电柄设备476.卷绕机：将制造好的极片卷绕成电池48全自动卷绕机497.