电动汽车动力蓄电池及管理技术课件 第二章 锂离子电池的基本构成、充放电原理和特性

锂离子电池的基本构成、充放电原理和特性目录CONTENTS01一、锂离子电池的基本构成02二、锂离子电池的充放电原理及过程03三、锂离子电池的化学原理一、锂离子电池的基本构成01-复合电极包含3个部分：活性物质（实现锂离子嵌入/脱嵌）、导电剂（增强电子传导）和黏合剂（固定材料结构）。03-正负极采用复合材料涂覆于金属箔集流体（正极用铝箔，负极用铜箔），隔膜浸渍于有机电解液中，电池整体密封以隔绝空气。02-负极活性材料多为石墨，正极则采用锂过渡金属氧化物（如LiCoO₂、LiFePO₄等）。04核心组件组成-锂离子电池主要由正极（Cathode）、负极（Anode）、隔膜及电解液组成。其典型结构如图1所示。01二、锂离子电池的充放电原理及过程02-核心组件包括正极、负极、电解质和隔膜，共同构成电化学反应体系。Part.02-充电时，外电场驱动锂离子从正极晶格脱嵌，经电解液穿越隔膜迁移至负极，嵌入到负极材料中；同时电子经外电路向负极移动，实现电能储存。Part.03-放电时，锂离子自负极脱出返回正极，重新嵌入到正极材料中，电子经外电路流向正极形成电流。该可逆反应使锂离子电池兼具高能量密度和循环稳定性。Part.04充放电基本原理-锂离子电池通过正负极间的氧化还原反应实现电能与化学能的可逆转换，如图2所示。Part.01图2锂离子电池充放电原理-放电时，负极活性物质（如LiC₆）发生氧化反应，释放锂离子（Li⁺）和电子（e⁻）；正极活性物质（如Li₁₋ₓCoO₂）作为氧化剂接受电子和Li⁺，发生还原反应。-典型反应如下：正极：Li₁₋ₓCoO₂+xLi⁺+xe⁻→LiCoO₂；负极：LiC₆→C₆+Li⁺+e⁻。放电过程-电子通过外电路形成电流，Li⁺通过电解质迁移，构成电荷平衡回路，化学能转化为电能，如图3所示。0101-充电过程中，外部电源施加电压驱动电子从正极经外电路流向负极，同时锂离子（Li⁺）穿过电解质向负极迁移。0404-充电总反应可表示为：LiCoO₂+C→Li₁₋ₓCoO₂+LiₓC。0202-正极材料中的Li⁺脱嵌并进入电解质，而负极材料通过嵌入Li⁺和电子结合形成中性锂原子，实现能量的存储。充电过程03-充电时正极的LiCoO₂释放Li⁺，生成缺锂态Li₁₋ₓCoO₂；Li⁺在负极与碳材料（C）结合形成嵌锂化合物LiₓC。该过程为放电的逆反应，电极材料恢复至初始状态，如图3所示。三、锂离子电池的化学原理03-锂离子电池通过锂离子在电极材料中的可逆嵌入与脱嵌实现能量存储与释放。01-正极材料（如LiCoO₂）多采用层状或隧道型结构的锂过渡金属氧化物，其晶体结构需在充放电过程中保持稳定，以容纳锂离子脱嵌后的空位并维持循环寿命。02-正极材料的高氧化还原电位和化学稳定性可减少电解质副反应。03-负极材料以石墨（C）为主，其层状结构允许锂离子可逆嵌入形成LiC₆，并伴随电子转移实现储能。04-理想的负极需具备高导电性及结构稳定性，以抑制嵌锂过程中的体积膨胀，保障电池的充放电效率和安全性。05锂离子的嵌入反应机制-锂离子的可逆脱嵌是维持电池循环寿命与容量稳定的核心机制。01-负极材料中，锂离子从石墨层间脱出时，过快释放易破坏固体电解质界面膜（Solidelectrolyteinterphase,SEI），引发电解液分解或颗粒裂纹，造成不可逆容量损失。03-在正极材料中，脱锂过程伴随氧化态变化与结构演变（如LiCoO₂中Co³⁺→Co⁴⁺），过度脱锂可能导致层状结构坍塌或氧析出，需通过脱锂深度控制以保障安全性。02-脱嵌过程需平衡动力学与结构耐受性，通过优化界面稳定性和体积适应性，实现高效、持久的能量存储与释放。04锂离子的脱嵌反应机制谢谢大家锂离子电池充放电特性及应用目录CONTENTS01锂离子电池充电特性02锂离子电池放电特性03不同动力电池充放电特性对比锂离子电池充电特性01终止电压过高易导致过充，引发电解液分解、正极结构破坏及热失控；过低则会造成充电不足，降低容量利用率和循环寿命。锂离子电池对充电终止电压的控制精度要求严格，误差需控制在额定电压的±1%以内。精度要求充电终止电压控制要求电池发生吸热反应，电压逐渐上升至截止电压(SOC达80%~90%)。恒流阶段充电电流逐渐衰减，当电流降至0.02C（A）时终止充电。恒压阶段CC-CV充电模式01使用LiCoO₂、LiM₂O₄和三元材料为正极材料的锂离子电池，其最高充电电压为4.2V。02使用LiFePO₄为正极材料的锂离子电池其最高充电电压为3.65V。不同正极材料对应的电压最高充电电压与电极材料的关系过充电会使电池负极出现金属锂，也称析锂，阻碍锂离子的嵌入/脱嵌。负极析锂过多的锂嵌入正极，使正极结构受到破坏。正极结构破坏电解液溶剂会发生分解，产生大量气体，且温度升高，甚至起火爆炸。电解液分解与安全风险过充电的危害锂离子电池的充电特性曲线包含预充电、恒流充电、恒压充电阶段，如图1所示。横轴为时间，纵轴分别为充电电压和充电电流，展示了不同阶段电压和电流的变化规律。曲线组成部分充电特性曲线分析锂离子电池放电特性02放电电流越大，电池的放电电压就越低，电压下降越快，放电终止电压也越低且出现得越早。电流与电压关系放电电流对放电电压的影响初始阶段开始时电压下降较快。平稳阶段很快有一个放电电压平稳阶段。终止阶段当接近放电终了时，放电电压会迅速下降；当电压降至终止电压时，应该立刻停止放电。放电曲线阶段性特征当锂离子出现过放电时，其电极集流体铜会发生溶解，使电池体系受到破坏。电极集流体溶解过放电的危害不同正极材料对应的电压使用LiCoO₂、LiM₂O₄和二元材料为正极材料的锂离子电池，其最低放电电压为3.0~2.75V。使用LiFePO₄为正极材料的锂离子电池，其最低放电电压为2.5V。终止放电电压与电极材料的关系曲线参数与规律锂离子电池的放电特性曲线横轴为容量（CAPACITY）、纵轴为电压（VOLTAGE），如图2所示。不同放电电流（如2.0C、1.0C、0.5C、0.2C）下曲线呈现不同的变化趋势，展示了放电过程中电压随容量的变化情况。放电特性曲线分析不同动力电池充放电特性对比03标称电压充电方式充电截止电压终止放电电压充电倍率（C-rate）锂离子电池：3.6~3.7V；镍氢电池：1.2V；铅酸电池：2.0V。锂离子电池：恒流-恒压（CC-CV）充电，效率高、控制精度要求高。镍氢电池：恒流，适应性强。铅酸电池：恒流或恒压、可使用脉冲充电。锂离子电池：2.5~3.0V；镍氢电池：0.9~1.0V；铅酸电池：1.75~1.8V。锂离子电池：常用0.5C~1C，最高可达2C；镍氢电池：0.1C~0.5C；铅酸电池：0.1C~0.3C。锂离子电池：LiCoO₂为4.2V，LiFePO₄为3.65V；镍氢电池：约1.5V；铅酸电池：约2.45V。关键性能指标对比能量密度高、放电平台稳定、自放电率低、寿命长、适配高功率应用。安全性较好、成熟度高、循环次数适中。镍氢电池成本低廉、技术成熟、放电稳定、适合备用电源。铅酸电池锂离子电池主要优点对比谢谢大家锂离子电池热失控机理与扩展CONTENT目录01一、锂离子电池热失控概述02二、锂离子电池热失控机理03三、热失控扩展一、锂离子电池热失控概述01Part04这些因素使锂离子电池发生热失控后的危险性增大，因此有必要探究锂离子电池的热失控过程。Part01锂离子电池的电解液大多使用闪点和沸点都很低的碳酸酯类有机溶剂，易燃且燃烧剧烈。Part03锂离子电池是目前能量密度较高的电化学储能载体。Part02在循环过程中电池内部产生的锂枝晶及黏结剂的晶化会导致电池内短路。锂离子电池的特点热失控的背景与意义二、锂离子电池热失控机理02锂离子电池热失控的主要诱因是温度升高引发连锁放热反应，形成“温度升高—反应加速”的正反馈循环。其热失控条件可通过Semenov模型分析。热失控的诱因与锂离子电池正常使用过程中的产热不同，热失控过程中锂离子电池的副反应生热是总生热量的主要部分。热失控过程中的产热特点锂离子电池热失控原理a)散热速率曲线（直线1、2、3）反映不同散热条件，散热能力排序为1>2>3。b)产热速率曲线（曲线4）与散热曲线的交点代表热平衡状态（产热速率与散热速率相等）。若平衡点（如E点）受扰动后可恢复，则为稳定平衡；若平衡点（如F点）受扰动后无法恢复（温度≥T₁），则为不稳定平衡。c)临界状态：当散热曲线为直线2时，与产热曲线相切于D点，对应温度Tₙₐ称为“不归还温度”，此时所处的环境温度为自反应性物质发生自发加速分解（热失控）的最低环境温度。Semenov模型分析正常充电时，电池表面温度较低（26-30℃）。锂离子正常从正极脱出，从负极嵌入，电池的电压缓慢升高。当电池电压为3.6V左右时，电池负极嵌锂趋于饱和。第一阶段：正常充电至负极嵌锂饱和当锂离子电池内部温度达到130℃左右时，隔膜熔融，引发电池大面积内短路。电池开始发生不可控的自加速反应，进一步造成电池的升温，最终导致火灾甚至爆炸。第四阶段：隔膜熔融与失控锂枝晶与电解液发生副反应生成热量，导致电池内部温度升高。当温度超过90℃时，会引发SEI膜的分解，并产生C₂H₄、CO₂、O₂等气体。随着电池内部温度的持续升高，电解液开始参与绝大多数副反应，如电解液与嵌锂负极、正极、金属锂等反应。电解液与嵌锂负极反应的产气机理与电解液的成分有关，不同的电解液成分产生的气体成分和含量有所不同。第三阶段：SEI膜分解与副反应加剧锂离子电池热失控过程一般可总结为以下几个部分：SEI分解、嵌锂负极与电解液发生反应、隔膜熔融、正极发生分解反应、电解液自身发生分解反应、电解液汽化与燃烧。热失控过程的主要阶段轻微过充时，电池表面温度明显攀升（39-46℃）。正极严重脱锂，由于负极嵌锂趋于饱和，锂离子会在负极表面析出，并且倾向于沉积在距离正极更近的负极边缘区域。已有研究表明，负极表面析出的锂枝晶，会与负极的有机黏结剂发生反应生成氢气。由于锂金属的析出和正极的严重脱锂，电池电压会继续上升。第二阶段：轻微过充与锂枝晶析出锂离子电池的热失控过程是一个复杂的化学反应链，涉及多个阶段和多种副反应。从SEI膜的分解到电解液的参与，再到隔膜的熔融和电池的大面积内短路，每一个阶段都会释放大量的热和气体，导致电池内部温度和压力的急剧升高。最终，这种恶性循环可能导致火灾甚至爆炸。热失控过程的总结锂离子电池热失控过程三、热失控扩展030102热失控扩展的严重后果一旦锂离子电池发生热失控，局部放热反应将迅速演化为整体系统的温度失衡，引发高温气体喷出、热波传递乃至多电芯联锁响应等严重后果。热失控扩展的特性热失控的扩展过程具有极强的链式反馈特性。热失控扩展的后果与特性锂离子电池的热失控本质上是一个自催化的热化学链式反应。在高温驱动下，SEI膜分解、电解液分解、正极氧化等一系列放热反应依次发生，并相互促进。产热速率超过散热能力后，局部热量快速积聚，导致更剧烈反应，最终触发热失控的全局性扩展。热反应的链式反应热失控过程中伴随大量可燃和惰性气体（如H₂、CO、CO₂、