新能源汽车储能装置与管理系统课件：锂离子电池

锂离子电池掌握锂离子动力电池的储能原理与结构。掌握锂离子动力电池的性能及检测。了解锂离子动力电池的应用。学习目标1锂离子电池的发展与应用2锂离子电池的分类与结构3锂离子动力电池的工作原理4锂离子动力电池的工作特性自从1991年索尼公司发布了首个锂离子电池，就以其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等优点成为动力电池应用领域研究的热点。锂离子电池的发展与应用1.锂离子电池的发展锂离子电池在消费类产品方面除了早期在功能手机、数码相机、笔记本电脑等方面的应用以外，智能手机、平板电脑、移动电源已成为新兴起的需求点。锂离子电池的发展与应用2.锂离子电池的应用

在电动汽车开发方面，锂离子动力电池已经成为主流。在国内，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。国际上，已经宣布进入市场销售的纯电动汽车和插电式混合动力汽车，如日产公司的Leaf、特斯拉的ModelS、三菱公司的i-MiEV以及通用公司的Volt均采用了锂离子电池系统。锂离子电池的发展与应用

在军事装备中，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。

由于自身的结构特点和特殊的工作原理，决定了其原材料丰富、环保、比容量高、循环性能和安全性能好等特点，在医疗行业(例如，助听器、心脏起搏器等)、石化行业(例如，采油动力负荷调整)、电力行业(例如，储能电源)等均具有广阔的应用前景。其在追求能源绿色化的今天，具有更加重要的意义。

锂离子电池的发展与应用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简称为（LIB）和聚合物锂离子电池简称为（LIP）两大类。锂离子电池的分类与结构1.锂离子电池的分类

按照锂离子蓄电池正极的材料不同，汽车用锂离子蓄电池主要分为锰酸锂离子蓄电池、磷酸铁锂离子蓄电池、钴酸锂离子蓄电池、镍钴锰锂离子蓄电池等。锰酸锂离子蓄电池指正极使用锰酸锂材料的电池，其标称电压达到3．7V，以成本低、安全性好被广泛使用。磷酸铁锂离子蓄电池用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子蓄电池。钴酸锂离子蓄电池用钴酸锂作为正极材料的锂离子蓄电池。镍钴锰锂离子蓄电池用镍钴锰三元材料作为正极的锂离子蓄电池。锂离子电池的分类与结构锂离子蓄电池主要由正极、负极、隔膜板、电解液和安全阀等组成。锂离子电池的分类与结构2.锂离子电池的结构正极物质由含锂的过渡金属氧化物组成，在锰酸锂离子蓄电池中以锰酸锂为主要原料在磷酸铁锂离子蓄电池中以磷酸铁锂为主要原料，在镍钻锂离子蓄电池中以镍钴锂为主要原料,在镍钴锰锂离子蓄电池中以镍钴锰锂为主要材料。层状化合物

层状正极材料中研究比较成熟的是钴酸锂(LiCoO2)和镍酸锂(LiNiO2)。锂离子电池的分类与结构(1)正极尖晶石型结构LiMn2O4是尖晶石型嵌锂化合物中的典型代表。锂离子电池的分类与结构橄榄石型结构LiFePO4在自然界以磷铁锂矿的形式存在，属于橄榄石型结构。锂离子电池的分类与结构

负极活性物质是由碳材料与黏合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。

碳材料

是目前商品化的锂离子电池应用最为广泛的负极材料。碳负极材料包括石墨、定型炭。

氧化物负极材料

氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系，包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其他氧化物。

金属及合金类负极材料

金属锂是最先采用的负极材料,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。锂离子电池的分类与结构（2）负极

（3）隔膜板

隔膜板的功能是关闭或阻断通道，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。（4）电解液

电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。（5）安全阀

为了保证锂离子蓄电池的使用安全性，一般通过对外部电路的控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。锂离子电池的分类与结构（1）锂离子电池的优点

工作电压高

能量密度高

循环寿命长

自放电小

无记忆效应

环保性高锂离子电池的分类与结构3.锂离子电池的特点（2）锂离子电池的缺点正极材料钴酸锂的价格较高必须有特殊的保护电路，以防止过充锂离子电池若采用钴系列正极，在过充电状态时可能引起电池爆炸锂离子电池的分类与结构

锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。锂离子动力电池的工作原理

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。锂离子电池充电特性曲线锂离子动力电池的工作特性锂离子电池放电特性曲线锂离子动力电池的工作特性2.安全性

锂离子电池在热冲击、过充电、过放电和短路等情况下，其内部的活性物及电解液等组分问将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使得电池内部压力增大，到一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。锂离子动力电池的工作特性

3．热特性(1)锂离子生热机制锂离子动力电池的工作特性电池内部产生的热量反应热Qr极化热Qp焦耳热QJ分解热Qs锂离子动力电池的工作特性(2)放电时温升特性

可以看出，电池放电电流越大时，正极柱处的温度上升越快，并且温度极值越高。这说明放电电流越大时，损耗的热能就越多，降低了放电效率。不同放电倍率正极柱处的温升曲线(3)充电温升特性不同充电倍率正极柱处的温升曲线锂离子动力电池的工作特性

恒流充电开始阶段，内阻较大，从而生热速率较大，温升较快。随后恒流充电后期温升速率放缓。

(4)温度对锂离子电池使用性能的影响

低温状态锂离子电池放电效率低，主要原因在于：

①电池电解液的电导率增加，导致锂离子传输性能差。

②负极表面SEI膜是锂离子传递过程中的主要阻力，表面膜阻抗大于电解液本体阻抗，在-20℃以下的温度范围内，表面膜阻抗R随温度的降低骤增，与电池性能恶化相对应。

③脱嵌。锂离子容量不对称性是由锂离子在不同嵌锂态石墨负极中的扩散速度不同引起的，低温时，锂离子在石墨负极中的扩散速度慢。

④正极与负极表面的电荷传递阻抗增大。

⑧正极/电解液界面或负极/电解液界面的阻抗增大。

⑥电极的表面积、孔径、电极密度、电极与电解液的润湿性及隔膜