锂离子电池基本知识与制造工艺-培训材料

OUTLINE电池原理与化学电池发展锂离子电池性能与安全磷酸铁锂动力电池结构动力电池存贮、装卸电池包的安全操作第一页，共38页。电池原理与化学电池发展

化学电池基本构成：正极、负极、电解液隔离膜、导线、外包装物电极反应：

放电：

阳极：Cu2++2e-=Cu

阴极：Zn-2e-=Zn2+电池的能量：电池能量=电势差*电量电势差—正负极材的电位决定电量—通过线路中的电子总量伏打电池丹尼尔电池第二页，共38页。电池原理与化学电池发展

电池分类：一次电池（原电池），如锌锰干电池、碱性电池、银电池二次电池（蓄电池），如铅酸电池、镍氢电池、锂电池燃料电池，氢、甲烷、甲醇燃料电池太阳能电池常见二次电池的基本参数：第三页，共38页。电池原理与化学电池发展1991,Sony:

C6/Li-saltinPC-EC/Li1-xCoO2In1995,Bellcore:Polymernewprocess–P1

锂二次电池研发分为金属锂二次电池、锂离子电池与锂聚合物电池三个阶段。1999年，锂离子聚合物电池正式投入商业化生产，松下公司为首的8家公司均有产品推出，因此，1999年被日本人称为锂聚合物电池的元年。它以碳为负极，以含锂的化合物作正极；在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池名称的由来。电池发展：第四页，共38页。OUTLINE电池原理与化学电池发展

锂离子电池性能与安全磷酸铁锂动力电池结构动力电池存贮、装卸电池包的安全操作第五页，共38页。锂离子电池性能与安全工业社会的发展对便携电子设备的依赖越来越高，作为设备能源提供的电池必须俱备更高的能量密度、更长的循环寿命及安全性。1992年商品化的锂离子电池提供可能性主要用途电子仪表航空动力消费用品电动车辆动力第六页，共38页。锂电池性能与安全

传统而又新兴的电动车行业对于中国汽车工业，新能源汽车是实现跨越式发展的难得机遇第七页，共38页。锂离子电池性能与安全

锂离子电池的优势锂离子电池（Li-onBattery）是目前最佳能量存储方案，同时兼备高功率密度和高能量密度，是当前电动汽车选用锂离子电池的根本原因第八页，共38页。锂离子电池性能与安全锂离子电池结构阴极：锂离子盐，由含锂的过渡金属氧化物组成，常用的

材料有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂。阳极：石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中间相

碳微粒。锂离子存贮仓库隔离膜：一种特殊的复合膜，它的功能是隔离正负极，阻止

电子穿过，同时能够允许锂离子通过，从而完成在

电化学充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传

输。目前主要是聚乙烯(PE)或者聚丙烯(PP)。隔离

阴阳极，防止短路，离子导通，电子隔绝电解液：一种有机电解液，大部分是由六氟磷酸锂（LiFL6）

加上有机溶剂配成。锂离子通道。极柱：Ni(Cu)、Al，电子通道，接外电路包装膜：不锈钢壳，保持稳定的电化学环境.外包装绝缘膜第九页，共38页。工作原理：

当外部电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。当电池放电时，机理与充电是刚好是相反的，以LiFePO4为例，其化学反应方程式为：锂离子电池性能与安全第十页，共38页。锂离子电池性能与安全

锂离子电池内部结构充电

：正极--

Li1MO2---->Li1-xMO2+xLi++xe-

负极--

C+xLi++xe-----CLix放电：

正极--Li1-xMO2+xLi++xe----LiMO2

负极--CLix-----C+xLi++e-第十一页，共38页。锂离子电池性能与安全锂离子电池内部结构第十二页，共38页。锂离子电池性能与安全锂离子电池阴极材料：LxMyOzi.eLiCoO2LiNi(1-x)CoxMn(1-x)/2O2LiMnO4LiFePO4LiCoO2LiFePO4第十三页，共38页。锂离子电池性能与安全电解液材料组成使用碳酸酯作为溶剂时，因为闪点较低，在较低的温度下即会闪燃，安全性较差。氟代溶剂（包括氟代酯和氟代醚）具有较高的闪点甚至无闪点，有利于抑制电解液的燃烧。氟代剂对电池性能损害较小，抑制电解液燃烧效果明显，但氟化物的使用将大大增加锂离子电池的生产成本。目前商用锂离子电池以EC、DMC为溶剂，以LiPF6为锂盐，具有较高的离子导电率与较好的电化学稳定性。第十四页，共38页。锂离子电池性能与安全锂离子电池阴极材料性能比较基于安全与成本因素，磷酸铁锂是目前技术水平条件下，最好选择。第十五页，共38页。锂离子电池性能与安全石墨阳极材料天然石墨负极材料电镜照片FSNC-1石墨化后的电镜照片第十六页，共38页。锂离子电池性能与安全石墨阳极材料容量

满充电时：LiC66C+Li++e-6个C原子能放出1个电子6摩尔C原子(72克）能放出1摩尔电子1摩尔电子的电量=1.60217733*10-19*6.022*1023=96485库伦=26.80安时理论石墨克容量=26.80/72=372毫安时实际石墨克容量=280～370毫安时第十七页，共38页。锂离子电池性能与安全理想正负极材料的特征具有层状或隧道的晶体结构，利于锂离子电池的嵌入和脱出充放电过程中，尽可能容易的嵌入和脱出，具有高的化学容量锂离子嵌脱时，有比较平稳的充放电电压锂离子有较大的扩散系数，减少离子移动时的能耗，保证良好的充放电性能嵌入化合物应当便宜，污染小，质量轻第十八页，共38页。锂离子电池性能与安全

锂离子电池设计安全性电池内部几乎为真空，在密闭环境下充放电隔膜具有高温保护功能，当温度达到130度，离子无法通过，切断电路充电或放电电流过大时，电芯内部的保护板会切断电流安装在PTC温度控制端子或保险丝，可限制电流过大时产生的高温第十九页，共38页。锂离子电池性能与安全锂离子电池设计安全性锂离子电池是已成功的商业化且安的电池每年超过20亿的产量过充、过放、低温循环会导致损坏第二十页，共38页。锂离子电池性能与安全过放电

电压放到2.0V，阳极铜集电体溶于电解液，在阴极析出，生成铜枝晶，刺破隔离膜，造成短路加热

加热超过150温，导致热失控（化学能》电化学能，阴极结构

塌陷低温充电

温度低于0度，对电池充电，在阳极表面有锂析出，过程为不可逆反应，损害电池。E=E0-RT/nFlg[氧化态/还原态]第二十一页，共38页。锂电池充电曲线（CC-CV模式）锂离子电池性能与安全恒压模式一般被称为涓流充电，其电流一般很小（降到0.1C以下），一般用整个充电时间的1/3充满容量的1/10。第二十二页，共38页。锂离子电池性能与安全第二十三页，共38页。锂离子电池性能与安全磷酸铁锂电池性能LFP电芯标准充电曲线：安全上限电压3.8VLFP电芯标准放电曲线：安全下限电压2.5VLFP电芯在不同温度下的放电容量LEP电池系统对温度敏感66Ah电芯为例：充放电电芯表面温升LFP电池系统也要做好热处理第二十四页，共38页。正极材料——磷酸铁锂磷酸铁锂（LiFePO4，简称LFP）电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，其工作原理和锂离子电池是一样的。LiFePO4正确的化学式为LiMPO4，（M可以是任何金属，如

Fe，Co，Mn，Ti等）。其物理结构为橄榄石结构，从结构来看，可以用在锂离子电池的正极材料还有AyMPO4,Li1-xMFePO4,LiFePO4.MO等都可以做正极材料。其特色是不含贵重元素，原料价格低且磷，铁，锂在地球上的资源含量丰富，供料不会存在很大问题。除具有锂电池的共性特点外，还有一些特有的优点，比如其工作电压适中（3.2V），容量大(170mAh/g)，高放电功率，可快速充电且循环寿命长（高达2000次），在高温与高热环境下的稳定性高。`第二十五页，共38页。磷酸铁锂工作原理图

宏观图微观结构图LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。第二十六页，共38页。磷酸铁锂与锰酸锂的电性能比较

生产锂离子动力电池必然要对正极材料进行选择。虽然从理论上讲，可以提供选择的正极材料品种繁多，但是目前真正可以应用商业生产用途的锂离子正极材料很少，归纳下来只有磷酸铁锂、锰酸锂材料。下面我们对两种材料进行一下对比：第二十七页，共38页。磷酸铁锂与锰酸锂的电性能比较

通过以上比较，两种正极材料各自存在的优势和劣势，但磷酸铁锂的原物料来源更广泛，价格更低廉，最重要的一点是它无环境污染。并且它存在的一些缺点现在已经有厂家通过技术手段已经大部分改进了，并且已经能够很好地商业化运作了。第二十八页，共38页。锂电芯生产工艺抽真空封装后成为单体电池卷好的负正负极片电解液正极片隔膜负极片正极材料铝箔负极材料铜箔涂覆涂覆卷绕放入电池外外壳里注入电池外外壳里搅拌分切灌注电解液焊接顶盖卷绕涂布分组静置封装静置化成容量测试第二十九页，共38页。OUTLINE电池原理与化学电池发展锂离子电池性能与安全

磷酸铁锂动力电池结构动力电池存贮、装卸电池包的安全操作第三十页，共38页。主要部件外箱：支架作用，箱体、上盖、绝缘膜、极柱模组：工作单元，电芯、BUSBARBMS:控制系统，BMU、电压采集线、温度采集线继电器:开关熔断器：安全保护热管理：全天候运行保证，加热片、风扇其他：正负极引线、支架磷酸铁锂动力电池结构第三十一页，共38页。磷酸铁锂动力电池结构电芯与模组采集线电压采集温度采集第三十二页，共38页。电池包M30前箱后箱

磷酸铁锂动力电池结构第三十三页，共38页。OUTLINE电池原理与化学电池发展锂离子电池性能与安全磷酸铁锂动力电池结构动力电池存贮、装卸电池包的安全操作第三十四页，共38页。贮存动力电池存贮与装卸贮存温度：0℃～25℃；湿度：≤75％R.H（无水汽凝结）；存储室内清洁、干燥、阴凉、通风，避免与腐蚀性物体或气体接触标识清晰，远离火源及热源，要做好绝缘处理电池箱体保护盖板安装紧固，无缺损、破坏等缺陷；正、负极接线柱用绝缘胶带或者其他绝缘材料绝缘，无金属裸露；短期储存（3个月内）SOC≥30％，电芯电压≥2.5V；长期贮存SOC≥50％，电芯电压≥3.0V，需定期进行充放电测试，推荐一个月进行一次充放电，充放电电流0.2C，同时检查BMS功能第三十五页，共38页。搬运动力电池存贮与装卸轻拿轻放，正面朝上，不可倒放或斜放用专门运载工具，严禁徒手搬移，拖动，破坏电池外观（比如造成划痕，凹点）搬运前检查绝缘性：总正总负对系统金属外壁绝缘电阻≥500Mohm搬运前检查继电器是否断开：前后箱接插件应当保护第三十六页，共38页。装卸