《新能源汽车电池及管理系统检修》课件-锂离子电池

任务描述随着新能源汽车的不断发展，人们对其续驶里程要求不断提升。对于车企来说，只能选择能量密度高、循环寿命长的锂离子电池替代传统能量密度低的电池，满足社会使用的需求。本任务主要进行锂离子电池的工作原理、应用车型等讲解。比亚迪刀片电池是怎么回事？Page220世纪70年代埃克森的M.S.Whittingham采用二硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。1980年，J.Goodenough发现钴酸锂可以作为锂离子正极材料。1、锂电池的发明StanleyWhittinghamJ.GoodenoughPage31985年，日本旭化成公司AkriaYoshino以J.Goodenough的阴极为基础，在阳极采用石油焦，创造了新型的锂电池。1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。1、锂电池的发明AkriaYoshinoPage41991年索尼公司与旭化成公司合作，发布首个商用锂离子电池，随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。1、锂电池的发明Page51、锂电池的发明一、锂离子电池的结构与原理1、锂离子电池的类型

按照电池的外形，可把锂离子电池分为方形、圆柱和软包电池三种。根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(LithiumIonBattery，LIB)和聚合物锂离子电池(PolymerLithiumIonBattery，LIP)两大类。

液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替。液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料都是相同的，工作原理也基本一致。2、锂离子电池的结构

锂电池的结构形式常见的有圆柱碳包式、方型叠片式、圆柱叠片式、圆柱卷绕式、方型卷绕式等。电池容量从几十毫安时到几千安时不等。2、锂离子电池的结构锂离子二次电池正极材料是具有能使锂离子较为容易地嵌入和脱出，并能同时保持结构稳定的一类化合物——嵌入式化合物。采用锂化合物LiCoO2（钴酸锂）、LiNiO2

（镍酸锂）、LiFePO4（磷酸铁锂）、LiMn2O4

（锰酸锂）、Li3TiO3（钛酸锂）、以及三元材料Li(NiCoMn)O2）镍钴锰酸锂；这些锂化合物材料是晶状体结构材料。被用来作为电极材料的嵌入式化合物均为过渡金属氧化物。充放电循环过程中，锂离子会在金属氧化物的电极上进行反复的嵌入和脱出反应，因此，金属氧化物结构内氧的排列和其稳定性是电极材料的一个重要指标。4、锂电池材料（正极）4、锂电池材料（正极）作为嵌入式电极材料的金属氧化物，依其空间结构的不同主要可分为以下三种类型。1.层状化合物LiCoO2LiNiO22.尖晶石型结构LiMn2O43.橄榄石型结构LiFePO4Page10LiCoO2具有放电电压高、性能稳定、易于合成等优点。但钴资源稀少，价格较高，并且有毒，污染环境。目前主要应用在手机、笔记本等中小容量消费类电子产品中。镍与钴的性质非常相近，而价格却比钴低很多，井且对环境污染较小。4、锂电池材料（正极）Page11锰酸锂是尖晶型嵌锂化合物的代表。Mn元素含量丰富，价格便宜，毒性远小于过渡金属Co、Ni等。主要缺点是电极的循环容量容易迅速衰减。主要原因有：4、锂电池材料（正极）①LiMn2O4的正八面体空隙发生变化产生四方畸变②LiMn204中的锰易溶解于电解液中而造成流失③电极极化引起内阻增大Page12LiFePO4在自然界以磷铁锂矿的形式存在，属于橄榄石型结构（见图）。其中的强共价键作用使其在充放电过程中能保持晶体结构的高度稳定性，因此具有比其他正极材料更高的安全性能和更长的循环寿命。另外LiFePO4有原材料来源广泛、价格低廉、无环境污染、比容量高等优点。4、锂电池材料（正极）Page134、锂电池材料（正极）正极材料的纳米化可改善锂离子电池的电化学性能，尤其是快速充放电性能，是锂离子电池正极材料的重要发展方向之一。人们用各种方法，制备了多种形态的纳米正极材料，如多孔结构的LiCoO2纳米花球、LiNiO2纳米球、LiMn2O4纳米颗粒组成的薄膜和LiFePO4纳米多面体等。Page144、锂电池材料（负极）负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一。比容量高、容量衰减率小、安全性能好是对负极材料的基本要求。目前，应用的负极材料主要为锂-碳层间化合物LiC6。如图所示。Page154、锂电池材料（负极）石墨是锂离子电池碳材料应用最早、研究最多的一种，其具有完整的层状晶体构造。石墨的层状结构有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂-石墨层间化合物，其理论最大放电容量为372mA.h/g，充放电效率通常为90%以上，是一种性能较好的锂离子电池负极材料。Page164、锂电池材料（负极）氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系，包括金属化合物、金属基复合氧化物和其他氧化物。前两者虽具有较高的理论比容量，但因从氧化物中置换单质消耗了大量锂而导致巨大的容量损失，抵消了高容量的优点。

Li4Ti5O12具有尖晶石结构，充放电曲线平坦，放电容量为150mA·h／g，具有非常好的耐过充、过放特征，充放电过程中晶体结构几乎无变化(零应变材料)，循环寿命长，充放电效率近100％，目前在储能型锂离子电池中有所应用。Page174、锂电池材料（负极）金属锂是最先采用的负极材料，理论比容量为3860mA.h/g。20世纪70年代中期，金属锂在商业电池中得到应用。但因充电时，负极表面会形成枝晶，导致电池短路，于是人们开始寻找一种能替代金属锂的负极材料。合金负极材料是研究的较多的新型负极材料体系，由于加工性能好、导电性好等优点，被认为是极有发展潜力的一种负极材料。Page184、锂电池材料（电解质）液体电解质。电解质的选用对锂离子电池的性能影响非常大，它必须是化学稳定性好尤其是在较高的电位下和较高温度环境中不易发生分解，具有较高的离子导电率(>10-3S/cm),而且正、负极材料必须是惰性的、不能腐蚀电极。凝胶型电解质。凝胶型聚合物电解质主要成分与液态有机电解质基本相同，只是将液态有机电解质吸附在凝胶状的聚合物基质上，因此除了需具备以上条件外,还应具备与电极活性物质之间的黏结性好､弯曲性能好､力学强度大等特点｡固体电解质。使用固体电解质可避免液态电解质漏液的缺点,还可把电池做成更薄(厚度仅为0.1mm)､能量密度更高､体积更小的高能电池。

锂离子电池电解质材料是电池的重要组成部分，在电池中承担着正负极之间传输电荷的作用，对于电池的比容量、工作温度范围、循环效率及安全性能至关重要。主要包括溶解有锂盐LiPF6

、LiAsF6等有机溶液。Page194、锂电池材料（隔膜）

锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的主要作用是只允许锂离子Li+往返通过，阻止电子e-通过，在正负极之间起到绝缘作用，使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路。

隔膜材质是不导电的，其物理化学性质决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环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。电池的种类不同，采用的隔膜也不同。

对于锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。根据隔膜制备的工艺不同，可以把隔膜分为干法隔膜和湿法隔膜。2、锂离子电池的结构镍钴锰NCA-镍钴铝电池8:1.5:0.526.5万/吨11.7万/吨14万/吨磷酸铁锂：3.45万/吨12万/吨1万/吨16.27万/吨动力电池种类钴酸锂(60%、4.35V/国产)价格：22.2万/吨300Wh/kg能量密度250Wh/kg200Wh/kg3、锂离子电池的参数改性的钴酸锂为正极材料/掺入稳定的三元材料这种手机电池的电池正极采用什么材料？4、锂离子电池的拆解拆去塑料包装外皮拆解波士顿三元电池分开顶部结合处，可以嗅到电解液的酸味翻起上面，看到卷绕的电芯和正负电极极耳当把正负极与铝外壳接触时，会短路放电燃烧。4、锂离子电池的拆解拆解18650锂离子电池18650电芯的是由外壳、正极、负极、薄膜和电解质五部分组成的，18650电芯的直径为18mm，长度为65mm，非常容易识别。出于安全考虑，在电池正极位置通常会加置一个灰色的绝缘片。正极铜箔隔膜、电解液负极铝箔4、锂离子电池的拆解5、锂离子电池的工作原理

锂离子电池在原理上实际是一种锂离子浓差电池，正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂碳层间化合物LiC6，电解质为LiPF6（六氟磷酸锂）和LiAsF6（六氟合砷酸锂）等有机溶液。Li+在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。（见视频）5、锂离子电池的工作原理充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距的变化，不破坏晶体结构；在放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。5、锂离子电池的工作原理正极反应式：负极反应式：电池反应式：式中：M—Co、Ni、W、Mn等金属元素。充电时5、锂离子电池的工作原理举例：钴酸锂离子电池的工作原理摇椅电池二、锂离子电池的工作特性1、充放电特性锂离子电池充电从安全、可靠及兼顾充电效率等方面考虑，通常采用两段式充电方法。第一阶段为恒流限压，第二阶段为恒压限流。锂离子电池充电的最高限压值根据正极材料不同而有一定的差别。锂离子电池基本充放电电压曲线如下图所示。图中曲线采用的充放电电流均为0.3C。二、锂离子电池的工作特性2.安全性

锂离子电池在热冲击、过充、过放和短路等滥用情况下，其内部的活性物及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使得电池内部压力一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。二、锂离子电池的工作特性3.热特性

电池放电电流越大时，正极耳处的温度上升越快，并且温度极值越高。在环境温度较高，并且电池大功率放电的情况下，必须采用散热措施，以避免安全问题。充电倍率越大，电池温度上升越快，并且温度峰值也越大。到达恒压阶段时，随着电流的下降，电池温度开始下降，直到电流下降至涓流为止，但充电结束时的温度高于充电前。放电温升充电温升(4)温度对锂离子电池使用性能的影响1)温度对可用容量比率的影响。正常应用温度范围内，锂离子电池温度越高，工作电压平台越高，电池的可用容量越多。但是长期在高温下工作会造成锂离子电池的容量迅速下降从而影响电池的使用寿命，并极有可能造成电池热失控。2)温度对电池内阻的影响。直流内阻是表征动力电池性能和寿命状态的重要指标。电池内阻较小，在许多工况常常忽略不计，但动力电池处于电流大、深放电工作状态，内阻引起的压降较大，此时内阻的影响不能忽略。从磷酸铁锂锂离子电池充放电直流内阻变化曲线图，可看出低温状态下整个放电过程中直流内阻变化量明显，而高温状态下变化量则小得多。但是，放电和充电直流内阻变化的趋势是相同的，均随温度的升高而降低，随SOC的增大而减小。不同温度和SOC下的放电内阻图不同温度和SOC的充电内阻图4、锂离子电池出厂时的充电过程一开始涓流充电，必须先充到3.0v（这是第一次充电，使用锂离子电池放电终了电压一般都设置高于3.0v），然后以大电流恒流充电，但注意电池不能过分发热（超过材料的充电接受能力），充电电流越大，接受比率就越低，对电池的伤害就越大。当电压充到某个数值以后切换成恒压充电，因为此时锂离子已经快转移完毕，极板的充电接受能力下降，充电电流会逐渐减小。当充电电流降低到某个数值以后，0.1C，停止充电！5、锂离子电池的优点1)工作电压高。钴酸锂3.6V，锰酸锂3.7V，磷酸铁锂3.2V。2)比能量高。理论比能量可达200W·h／kg以上，实际应用中也可达140W·h/kg。3)循环寿命长。深度放电循环次数可达1000次以上；低放电深度循环次数可达上万次。4)自放电小。月自放电率仅为总容量5％～9％5)无记忆效应。6)环保性高。不包含汞、铅、镉等有害元素，是真正意义上的绿色电池。三、锂离子电池的应用1、在便携式电器方面的应用目前移动电话、笔记本电脑、微型摄像机等需要便携式电源都选择了锂离子电池，钴酸锂、锰酸锂锂离子电池占有主导地位。2、在交通行业的应用国内外众多汽车研制和生产企业开发的电动汽车半数以上车型采用了锂离子电池，并有逐步扩大的趋势。3、在军事装备及航空航天事业中的应用锂离子电池主要用做动力起动电源、无线通信电台电源、微型无人驾驶侦察飞机动力电源等。4、其他锂离子电池应用在医疗、石化、电力行业等均具有广阔的应用前景。Page374.4锂离子动力电池的应用1.日产LEAF日产汽车公司2009年8月发布量产纯电动汽车leaf车型，截至2013年9月底为止，Leaf全球累计销售量达83,000台，其中Leaf在日本市场的累计销售量达30,000台。该车采用层叠式紧凑型锂离子电池供电，电池容量24千瓦·时，位于车辆底部、座椅下方，输出功率90千瓦（以上），能量密度140瓦时/千克，功率密度2.5千瓦/千克，50千瓦直流快速充电（0~80%）只需不到30分钟，家庭200伏交流充电则需8小时。共48组锰酸锂电池，功率90千瓦。2.三菱i-MiEV三菱汽车公司“i-MiEV”纯电动汽车也已经于2010年开始销售。三菱i-MiEV搭载一台47千瓦的电动机，由一组330V锂电池提供动力，行驶距离约为100英里(约合160公里)。这组锂电池可以利用家用电源进行充电，每次充电时间约为7小时，为了缩短过长的充电时间。电力公司推出了一个快充套装，只需35分钟就可以充满电池80%的电量。3.雪佛兰Volt雪佛兰Volt被称为Extended-RangeElectricVehicle，即增程式电动汽车。它通过一个重量为181.4公斤(400磅)的16kWh的T型锂离子电池组来储存电能，该电池组由多个相连的电池模块构成，总共包含200多个电池单元。仅使用电力来驱动车轮时，最多可以行驶40英里。在发动机带动发电机发电并给蓄电池充电的情况下，Volt可以行驶数百英里。Volt在家庭中可以用120V或240V的电源为其充电，每次充电的成本还不如一杯咖啡的价钱高。力帆620纯电动车电池：30kwh磷酸铁锂动力电池续航里程：200km最高车速：120km/h比亚迪e6Page43

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锂离子电池的失效机理造