锂离子动力电池基本知识

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1、1主 讲 ：时 间 ：地 点 ： 2 l 电 池 分 类l 电 池 术 语 与 及 使 用 基 本 常 识l 磷 酸 铁 锂 动 力 电 池 之 结 构l 磷 酸 铁 锂 动 力 电 池 之 应 用 领 域l 磷 酸 铁 锂 动 力 电 池 之 工 艺 流 程l 磷 酸 铁 锂 动 力 电 池 之 生 产 设 备l 锂 离 子 电 池 之 性 能 指 标 3 l 一 次 电 池l 小 型 二 次 电 池 ： 镍 镉 、 镍 氢 、 锂 离 子l 铅 酸 电 池l 动 力 电 池l 燃 料 电 池l 太 阳 能 电 池 -地 面 光 伏 发 电l 其 他 新 型 电 池 4 5 l 电 池 在

2、一 定 放 电 条 件 下 所 能 给 出 的 电 量 称 为 电 池 的 容量 ， 以 符 号 C表 示 。 常 用 的 单 位 为 安 培 小 时 ， 简 称 安时 （ Ah） 或 毫 安 时 （ mAh） 。l 电 池 的 容 量 可 以 分 为 理 论 容 量 、 额 定 容 量 、 实 际 容 量 。l 理 论 容 量 是 把 活 性 物 质 的 质 量 按 法 拉 第 定 律 计 算 而 得的 最 高 理 论 值 。 为 了 比 较 不 同 系 列 的 电 池 ， 常 用 比 容量 的 概 念 ， 即 单 位 体 积 或 单 位 质 量 电 池 所 能 给 出 的 理论 电 量 ，

3、 单 位 为 Ah/kg（ mAh/g)或 Ah/L(mAh/cm3)。l 实 际 容 量 是 指 电 池 在 一 定 条 件 下 所 能 输 出 的 电 量 。 它等 于 放 电 电 流 与 放 电 时 间 的 乘 积 ， 单 位 为 Ah， 其 值小 于 理 论 容 量 。l 额 定 容 量 也 叫 保 证 容 量 ， 是 按 国 家 或 有 关 部 门 颁 布 的标 准 ， 保 证 电 池 在 一 定 的 放 电 条 件 下 应 该 放 出 的 最 低限 度 的 容 量 。 6 l 电 流 通 过 电 池 内 部 时 受 到 阻 力 ， 使 电 池 的 电 压 降 低 ，此 阻 力 称

4、为 电 池 的 内 阻 。l 电 池 的 内 阻 不 是 常 数 ， 在 放 电 过 程 中 随 时 间 不 断 变 化 ，因 为 活 性 物 质 的 组 成 、 电 解 液 浓 度 和 温 度 都 在 不 断 地改 变 。l 电 池 内 阻 包 括 欧 姆 内 阻 和 极 化 内 阻 ， 极 化 内 阻 又 包 括电 化 学 极 化 与 浓 差 极 化 。 内 阻 的 存 在 ， 使 电 池 放 电 时的 端 电 压 低 于 电 池 电 动 势 和 开 路 电 压 ， 充 电 时 端 电 压高 于 电 动 势 和 开 路 电 压 。l 欧 姆 电 阻 遵 守 欧 姆 定 律 ； 极 化 电

5、阻 随 电 流 密 度 增 加 而增 大 ， 但 不 是 线 性 关 系 ， 常 随 电 流 密 度 的 对 数 增 大 而线 性 增 大 。 7 l 当 电 池 的 正 负 极 两 端 连 接 在 用 电 器 上时 ， 带 动 用 电 器 工 作 时 的 输 出 功 率 ，即 为 电 池 的 负 载 能 力 。 8 l 指 电 池 的 内 部 气 压 ， 是 密 封 电 池 在 充放 电 过 程 中 产 生 的 气 体 所 致 ， 主 要 受电 池 材 料 、 制 造 工 艺 、 电 池 结 构 等 因素 影 响 。 其 产 生 原 因 主 要 是 由 于 电 池内 部 水 分 及 有 机

6、溶 液 分 解 产 生 的 气 体于 电 池 内 聚 集 所 致 。 9 l C是 Capacity的 第 一 个 字 母 ， 用 来 表 示 电池 充 放 电 时 电 流 的 大 小 数 值 。l 例 如 ： 充 电 电 池 的 额 定 容 量 为 1100mAh时 ， 即 表 示 以 1100mAh(1C)放 电 时 间 可持 续 1小 时 ， 如 以 200mA(0.2C)放 电 时 间可 持 续 5小 时 ， 充 电 也 可 按 此 对 照 计 算 。 10 l 指 电 池 放 电 时 ， 电 压 下 降 到 电 池 不 宜 再继 续 放 电 的 最 低 工 作 电 压 值 。l 根

7、据 不 同 的 电 池 类 型 及 不 同 的 放 电 条 件 ，对 电 池 的 容 量 和 寿 命 的 要 求 也 不 同 ， 因此 规 定 的 电 池 放 电 的 终 止 电 压 也 不 相 同 。 11 l 电 池 不 放 电 时 ， 电 池 两 极 之 间 的 电 位 差被 称 为 开 路 电 压 。l 电 池 的 开 路 电 压 ， 会 依 电 池 正 、 负 极 与电 解 液 的 材 料 而 异 ， 如 果 电 池 正 、 负 极的 材 料 完 全 一 样 ， 那 么 不 管 电 池 的 体 积有 多 大 ， 几 何 结 构 如 何 变 化 ， 其 开 路 电压 都 一 样 的 。

8、 12 l 工 作 电 压 指 电 池 接 通 负 载 后 在 放 电 过 程中 显 示 的 电 压 ， 又 称 放 电 电 压 。 在 电 池放 电 初 始 的 工 作 电 压 称 为 初 始 电 压 。l 电 池 在 接 通 负 载 后 ， 由 于 欧 姆 电 阻 和 极化 过 电 位 的 存 在 ， 电 池 的 工 作 电 压 低 于开 路 电 压 。 13 l 在 电 池 使 用 过 程 中 ， 电 池 放 出 的 容 量 占其 额 定 容 量 的 百 分 比 ， 称 为 放 电 深 度 。l 放 电 深 度 的 高 低 和 二 次 电 池 的 充 电 寿 命有 很 深 的 关 系 ，

9、 当 二 次 电 池 的 放 电 深 度越 深 ， 其 充 电 寿 命 就 越 短 ， 因 此 在 使 用时 应 尽 量 避 免 深 度 放 电 。 14 l 电 池 若 是 在 放 电 过 程 中 ， 超 过 电 池 放 电的 终 止 电 压 值 ， 还 继 续 放 电 时 就 可 能 会造 成 电 池 内 压 升 高 ， 正 、 负 极 活 性 物 质的 可 逆 性 遭 到 损 坏 ， 使 电 池 的 容 量 产 生明 显 减 少 。 15 l 电 池 在 充 电 时 ， 在 达 到 充 满 状 态 后 ， 若还 继 续 充 电 ， 可 能 导 致 电 池 内 压 升 高 、电 池 变 形

10、 、 漏 夜 等 情 况 发 生 ， 电 池 的 性能 也 会 显 著 降 低 和 损 坏 。 16 l 电 池 的 平 均 单 位 体 积 或 质 量 所 释 放 出 的电 能 。l 一 般 在 相 同 体 积 下 ， 锂 离 子 电 池 的 能 量密 度 是 镍 镉 电 池 的 2.5倍 ， 是 镍 氢 电 池 的1.8倍 ， 因 此 在 电 池 容 量 相 等 的 情 况 下 ，锂 离 子 电 池 就 会 比 镍 镉 、 镍 氢 电 池 的 体积 更 小 ， 重 量 更 轻 。 17 l 电 池 不 管 在 有 无 被 使 用 的 状 态 下 ， 由 于各 种 原 因 ， 都 会 引 起

11、 其 电 量 损 失 的 现 象 。l 电 池 完 全 充 电 后 ， 放 置 一 个 月 。 然 后 用1C放 电 至 3.0V， 其 容 量 记 为 C2； 电 池 初始 容 量 记 为 C0； 1-C2/C0即 为 该 电 池 之 月自 放 电 率l 行 业 标 准 锂 离 子 电 池 月 自 放 电 率 小 于12%l 电 池 自 放 电 与 电 池 的 放 置 性 能 有 关 ， 其大 小 和 电 池 内 阻 结 构 和 材 料 性 能 有 关 18 l 锂 离 子 电 池 完 全 充 电 后 ， 放 电 至 3.6V时的 容 量 记 为 C1， 放 电 至 3.0V时 的 容 量

12、记为 C0， C1/C0称 为 该 电 池 之 放 电 平 台l 行 业 标 准 1C放 电 平 台 为 70%以 上 19 l 电 池 放 电 电 流 的 大 小 常 用 放 电 倍 率 表 示 ， 即电 池 的 放 电 倍 率 用 放 电 时 间 表 示 或 者 说 以 一定 的 放 电 电 流 放 完 额 定 容 量 所 需 的 小 时 数 来表 示 ， 由 此 可 见 ， 放 电 倍 率 表 示 的 放 电 时 间越 短 ， 即 放 电 倍 率 越 高 ， 则 放 电 电 流 越 大 。（ 放 电 倍 率 =额 定 容 量 /放 电 电 流 ）l 根 据 放 电 倍 率 的 大 小 ，

13、 可 分 为 低 倍 率（ 7.0C） l 如 ： 某 电 池 的 额 定 容 量 为 20Ah， 若 用 4A电 流放 电 ， 则 放 完 20Ah的 额 定 容 量 需 用 5h， 也 就是 说 以 5倍 率 放 电 ， 用 符 号 C/5或 0.2C表 示 ， 为低 倍 率 。 20 l 电 池 在 完 全 充 电 后 完 全 放 电 ， 循 环 进 行 ，直 到 容 量 衰 减 为 初 始 容 量 的 75%， 此 时循 环 次 数 即 为 该 电 池 之 循 环 寿 命l 循 环 寿 命 与 电 池 充 放 电 条 件 有 关l 锂 离 子 电 池 室 温 下 1C充 放 电 循 环

14、 寿 命 可达 300-500次 （ 行 业 标 准 ） ， 最 高 可 达800-1000次 。 21 l 记 忆 效 应 是 针 对 镍 镉 电 池 而 言 的 ， 由 于 传 统 工 艺 中负 极 为 烧 结 式 ， 镉 晶 粒 较 粗 ， 如 果 镍 镉 电 池 在 它 们被 完 全 放 电 之 前 就 重 新 充 电 ， 镉 晶 粒 容 易 聚 集 成 块而 使 电 池 放 电 时 形 成 次 级 放 电 平 台 。 电 池 会 储 存 这一 放 电 平 台 并 在 下 次 循 环 中 将 其 作 为 放 电 的 终 点 ，尽 管 电 池 本 身 的 容 量 可 以 使 电 池 放

15、电 到 更 低 的 平 台上 。 在 以 后 的 放 电 过 程 中 电 池 将 只 记 得 这 一 低 容 量 。同 样 在 每 一 次 使 用 中 ， 任 何 一 次 不 完 全 的 放 电 都 将加 深 这 一 效 应 ， 使 电 池 的 容 量 变 得 更 低 。 l 要 消 除 这 种 效 应 ， 有 两 种 方 法 ， 一 是 采 用 小 电 流 深度 放 电 （ 如 用 0.1C放 至 0V） 一 是 采 用 大 电 流 充 放 电（ 如 1C） 几 次 。l 镍 氢 电 池 和 锂 离 子 电 池 均 无 记 忆 效 应 22 l 电 池 制 造 后 ， 通 过 一 定 的 充

16、 放 电 方 式将 其 内 部 正 负 极 物 质 激 活 ， 改 善 电 池的 充 放 电 性 能 及 自 放 电 、 储 存 等 综 合性 能 的 过 程 称 为 化 成 ， 电 池 只 有 经 过化 成 后 才 能 体 现 真 实 性 能 。 23 l 电 池 在 制 造 过 程 中 ， 因 工 艺 原 因 使 得电 池 的 实 际 容 量 不 可 能 完 全 一 致 ， 通过 一 定 的 充 放 电 制 度 检 测 ， 并 将 电 池按 容 量 分 类 的 过 程 称 为 分 容 24 l 快 速 充 电 ： 充 电 电 流 大 于 0.2C， 小 于 0.8C则 是 快 速 充 电

17、。 l 慢 速 充 电 ： 充 电 电 流 在 0.1C-0.2C之 间 时 ， 我 们 称 为 慢 速 充 电 。l 涓 流 充 电 ： 充 电 电 流 小 于 0.1C时 ， 我 们 称 为 涓 流 充 电 。l 超 高 速 充 电 ： 充 电 电 流 大 于 0.8C时 ， 我 们 称 之 为 超 高 速 充 电 。l 恒 流 充 电 方 式 ： 恒 流 充 电 法 是 保 持 充 电 电 流 强 度 不 变 的 充 电 。方 法 ， 恒 流 充 电 器 通 常 使 用 慢 速 充 电 电 流 。l 快 速 自 动 充 电 方 式 ： 通 常 所 使 用 的 是 余 弦 法 充 电 ，

18、也 就 是 说并 非 用 恒 定 的 大 电 流 充 电 ， 而 是 像 余 弦 波 那 样 电 流 强 度 随 之变 化 ， 这 样 能 缓 解 热 量 的 积 聚 ， 从 而 将 温 度 控 制 在 一 定 范 围内 。l 脉 冲 式 充 电 法 ： 脉 冲 充 电 方 式 首 先 是 用 脉 冲 电 流 对 电 池 充 电 ，然 后 让 电 池 停 充 一 段 时 间 ， 如 此 循 环 。 25 l 充 电 时 间 (小 时 )=充 电 电 池 容 量 (mAh)/充 电 电 流 (mA)*1.5的 系 数l 假 如 你 用 1600mAh的 充 电 电 池 ， 充 电器 用 400m

19、A的 电 流 充 电 ， 则 充 电 时 间为 :1600/400*1.5=6小 时 26 l 过 充 电 保 护 :过 充 电 保 护 IC的 原 理 为 ：当 外 部 充 电 器 对 锂 电 池 充 电 时 ， 为 防止 因 温 度 上 升 所 导 致 的 内 压 上 升 ， 需终 止 充 电 状 态 。 此 时 ， 保 护 IC需 检测 电 池 电 压 ， 当 到 达 4.25V时 （ 假 设电 池 过 充 点 为 4.25V） 即 启 动 过 度 充电 保 护 ， 将 功 率 MOS由 开 转 为 切 断 ，进 而 截 止 充 电 。 27 l 过 放 电 保 护 :过 放 电 保 护

20、 IC原 理 ： 为 了 防止 锂 电 池 的 过 放 电 ， 假 设 锂 电 池 接 上 负 载 ，当 锂 电 池 电 压 低 于 其 过 放 电 电 压 检 测 点（ 假 定 为 2.5V） 时 将 启 动 过 放 电 保 护 ， 使功 率 MOSFET由 开 转 变 为 切 断 而 截 止 放 电 ，以 避 免 电 池 过 放 电 现 象 产 生 ， 并 将 电 池 保持 在 低 静 态 电 流 的 待 机 模 式 ， 此 时 的 电 流仅 0.1uA。 当 锂 电 池 接 上 充 电 器 ， 且 此 时锂 电 池 电 压 高 于 过 度 放 电 电 压 时 ， 过 度 放电 保 护 功

21、 能 方 可 解 除 。 另 外 ， 考 虑 到 脉 冲放 电 的 情 况 ， 过 放 电 检 测 电 路 设 有 延 迟 时间 以 避 免 产 生 误 28 l 锂 离 子 电 池 是 指 Li+嵌 入 化 合 物 为 正 、 负 极 的 二 次 电 池 。l 正 极 采 用 锂 化 合 物 LiXCoO2、 LiXNiO2、 LiXMnO2或 LiFeO4l 负 极 采 用 锂 -碳 层 间 化 合 物 LiXC6。l 电 解 质 为 溶 解 有 锂 盐 LiPF6、 LiAsF6等 有 机 溶 液 。l 在 充 放 电 过 程 中 ， Li+在 两 个 电 极 之 间 往 返 嵌 入 和

22、 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 。 29 正 极 反 应 ： LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-负 极 反 应 ：C+xLi+xe-=CLix电 池 总 反 应 ：LiCoO2+C=Li1-xCoO2+CLix放 电 时 发 生 上 述 反 应 的逆 反 应 。 30 l 正 极活 性 物 质 （ LiCoO2LiMnO2LiNixCo1-xO2LiFeO4)导 电 剂 、 溶 剂 、 粘 合 剂 、 基

23、体 l 负 极活 性 物 质 （ 石 墨 、 MCMB)粘 合 剂 、 溶 剂 、 基 体 l 隔 膜 （ PP+PE）l 电 解 液 （ LiPF6+DMCECEMC)l 外 壳 五 金 件 （ 铝 壳 、 盖 板 、 极 耳 、 绝 缘 片 ） 31 密 封 圈 限 流 开关 隔 膜 绝 缘 垫 正 极 极耳 负 极 极耳正 极 负 极 圆 柱 型 32正 极 基 体 ： 铝 箔 （ 约 0.020mm厚 ) 正 极 物 质 ： 钴 酸 锂 +碳 黑 +PVDF正 极 集 流 体 ： 铝 带 （ 约 0.1mm厚 ） 33负 极 基 体 ： 铜 箔 （ 约 0.015mm厚 ) 负 极 物

24、 质 ： 石 墨 +CMC+SBR 负 极 集 流 体 ： 镍 带 （ 约 0.07mm厚 ） 34l 材 质 ： 单 层 PE（ 聚 乙 烯 ） 或 者三 层 复 合 PP（ 聚 丙 烯 ） +PE+PPl 厚 度 ： 单 层 一 般 为 0.016 0.020mm三 层 一 般 为 0.020 0.025mm 35 l 性 质 ：无 色 透 明 液 体 ， 具 有 较 强 吸 湿 性 。l 应 用 ：主 要 用 于 可 充 电 锂 离 子 电 池 的 电 解 液 ， 只能 在 干 燥 环 境 下 使 用 操 作 （ 如 环 境 水 分 小于 20ppm的 手 套 箱 内 ） 。l 规 格

25、：溶 剂 组 成 DMC:EMC:EC=1:1:1（ 重 量 比 ）LiPF6浓 度 1mol/ll 质 量 指 标 ：密 度 （ 25 ） g/cm 31.23 0.03水 分 （ 卡 尔 费 休 法 ） 20ppm游 离 酸 （ 以 HF计 ） 50ppm电 导 率 （ 25 ） 10.4 0.5ms cm 36 l 循 环 寿 命 长 ： 循 环 寿 命 高 达 2,000 次 以 上 ， 为 铅 酸 的 5倍 、镍 镉 的 4倍 以 上 。l 放 电 功 率 大 ： 放 电 功 率 分 别 为 铅 酸 、 镍 氢 电 池 的 6.6、 2.5 倍 ，极 适 用 在 需 要 高 功 率

26、的 工 具 电 池 ， 大 型 动 力 电 池 ， 特 别 是 车用 电 池 部 分 。l 充 电 时 间 短 ： 充 电 时 间 不 到 2 小 时 ， 仅 需 铅 酸 电 池 的 1/4、 镍镉 的 1/2。 l 转 换 效 率 佳 ： 转 换 效 率 达 95%， 优 于 铅 酸 的 60 %、 镍 镉 的70%。 l 轻 薄 短 小 ： 体 积 重 量 仅 为 铅 酸 的 50%， 镍 镉 的 70%。 l 无 污 染 ， 不 含 任 何 对 人 体 有 害 的 重 金 属 元 素 ； 37 l 电 动 工 具 类 ： 高 功 率 电 动 工 具 （ 无 线 ） ； 电 锤 、电 钻

27、、 除 草 机 等 ；l 电 动 自 行 车 (Ebike)市 场 l 电 动 玩 具 市 场 l 太 阳 能 LED路 灯 储 能 市 场 l 小 型 设 备 医 疗 设 备 ： 电 动 轮 椅 车 ， 电 动 代 步 车l 固 定 型 电 源 ： 主 要 用 于 通 讯 、 移 动 基 站 、 电 信 、铁 路 运 输 、 电 力 、 、 金 融 、 发 电 厂 、 计 算 机 系统 作 为 保 护 、 自 动 控 制 的 备 用 电 源 l 其 它 小 型 电 器 ： 矿 灯 、 替 代 铅 酸 ,镍 氢 ,镍 镉 ,锂钴 ,锂 锰 类 电 池 在 小 型 电 器 上 的 应 用 (20

28、09镍 镉 将全 面 退 出 市 场 ) 388串 4并 成 品 组 合 电 池 39 配 料 卷 绕注 液 检 测 包 装拉 浆 制 片化 成 激 光 焊 裁 片 40 正 极 干 粉 处 理正 极 筛 浆 料正 极 混 干 粉正 极 真 空 搅 拌 负 极 干 粉 处 理负 极 真 空 搅 拌负 极 筛 粉负 极 搅 拌负 极 筛 浆 料正 极 拉 浆 负 极 拉 浆正 极 负 极 41送 带上 浆 正 、 负 极 浆 料正 、 负 极 裁 片烘 烤收 带 42 正 极 裁 大 片正 极 划 线 刮 粉正 极 片 辊 切 负 极 裁 大 片负 极 称 重 分 档负 极 划 线 刮 粉负 极

29、 片 辊 切正 极 称 重 分 档 负 极 吸 尘正 极 制 片 负 极 制 片 43 正 极 真 空 烘 烤正 极 吸 尘正 极 片 辊 压 负 极 真 空 烘 烤负 极 吸 尘负 极 片 辊 压负 极 贴 胶 纸正 极 焊 极 耳 负 极 焊 极 耳 卷 绕 卷 绕正 极 贴 胶 纸正 极 吸 尘 负 极 冲 压 极 耳 44卷 绕贴 底 部 胶 纸压 芯 入 壳正 、 负 极 片配 片 隔 膜隔 膜 裁 剪测 短 路 套 绝 缘 片 并 固 定负 、 正 极 极 耳 点 焊离 心 入 壳测 短 路压 盖 帽激 光 焊 底 部 超 声 焊铝 镍 复 合 带 45 上 夹 具称 重 分 级激

30、 光 焊 接 注 液全 检 内 阻全 检 气 密 性 46 真 空 烘 烤称 重注 液 化 成贴 胶 纸套 胶 圈擦 洗 47 高 温 烘 烤分 容化 成 测 电 压 、 贴 不 干 胶 ， 半 成 品 入 库清 洗压 钢 珠高 温 贮 存自 检 电 压 铝 镍 复 合 片 点 焊 48 充 电反 充 电放 电 客 户装 盒 、 包 装全 检 电 压清 洗 全 检 内 阻全 检 尺 寸 49 l 真 空 搅 拌 机l 拉 浆 机 （ 涂 布 机 ）l 裁 切 机l 辊 压 机l 卷 绕 机l 激 光 焊 机l 真 空 注 液 机l 化 成 检 测 柜 50 l 常 规 性 能 ：容 量 电 压 内 阻l 可 靠 性 性 能 ：循 环 寿 命 放 电 平 台 自 放 电 贮 存 性 能 高 低 温 性 能l 安 全 性 能过 充 短 路 针 刺 跌 落 湿 水 低 压 振 动 51 52 l 电 池 是 个 比 较 复 杂 的 电 化 学 体 系 ， 涉 及到 电 化 学 、 材 料 、 机 械 、 物 理 等 学 科l 锂 离 子 电 池 生 产 流 程 较 长 ， 每 个 质 量 控制 点 都 非 常 重 要l 大 家 可 以 根 据 自 己 工 作 岗 位 性 质 有 针 对性 的 进 行 研 究 、 讨 论