2培训教程_锂离子电池基础理论（PDF39页）

培训教程：培训教程：锂离子电池基础理论锂离子电池基础理论主讲：刘凯主讲：刘凯时间：2014年3月2014‐3‐211仅限内部培训教程大纲教程大纲电池的发展（电池的由来）•电池的发展（电池的由来）•电池的类别（有哪些电池，什么是锂离子电池)•锂离子电池的组成结构•锂离子电池的关键性能•总结2014‐3‐212仅限内部培训一:电池的发展2014‐3‐213仅限内部培训电池发展史Zinc‐CarbonPrimaryAlkalineLead‐AcidNikldi(NiCd)Nickel‐cadmium: (NiCd)Nickel‐metal hydride: (NiMH)Memory effectLithium‐Ion: (Li‐Ion)Secondary2014‐3‐214仅限内部培训电池发展方向2014‐3‐215仅限内部培训纯绿色锂电池2014‐3‐216仅限内部培训二电池的类别二：电池的类别2014‐3‐217仅限内部培训电池种类划分种类划分次电池是放电后不能再充电使其复原的电池例如锌锰电池•一次电池：是放电后不能再充电使其复原的电池。例如：锌锰电池、碱性锌锰电池等。二次电池是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继•二次电池：是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。例如：镍镉、镍氢、铅酸电池、锂电池等。简而言之凡是能将其它能量转换为电能进行存储并且通过转化反•简而言之：凡是能将其它能量转换为电能进行存储，并且通过转化反应释放出电能的装置。PrimaryZn/NH4Cl,ZnCl2/MnO2Z//HOBatteryPrimaryBatteryZn/KOH/HgOZn/KOH/Ag2OSecondaryBatteryPb/H2SO4/PbO2Cd/KOH/NiOOHFe/KOH/NiOOHSecondaryLi-battery2014‐3‐218仅限内部培训什么是锂离子电池？锂离子电池是指Li+为离子传导介质，正、负极材料之间锂离子电池是指Li为离子传导介质，正、负极材料之间发生嵌入和脱出反应的电池。正极反应：LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-负极反应：C+xLi++xe-→CLixx电池总反应：LiCoO2+C→LiCoO+CLiLiCoO2+C→Li1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。2014‐3‐219仅限内部培训三锂电池的组成结构三：锂电池的组成结构2014‐3‐2110仅限内部培训锂电池结构锂电池结构Cathode (+)+     ‐BatteryLi batterySeparator Electrolyte Anode (‐)CellBi‐cell2014‐3‐2111仅限内部培训锂离子电池组成锂离子电池组成正极材料是指充电过程中能够提供锂离子源的材料如：锂化合物LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNiCoMnO2、LiFePO4负极材料是指充电过程中为锂离子提供接收体的材料如：石墨（人造或天然）、硅合金、锡合金等电解质为提供锂离子传导介质的材料如：溶解有锂盐（LiPF6、LiAsF6等）的有机溶液隔离膜是指阻隔正负电极之间电子不导电离子导电的多孔材料如：PP、PE、无纺布等等2014‐3‐2112仅限内部培训锂离子电池组成集流体是指提供材料的涂覆载体和电流的集束导体集流体是指提供材料的涂覆载体和电流的集束导体如：铜箔（负极）、铝箔（正极）等包装壳是指包装和保护电芯的复合材料如铝塑膜不锈钢壳铝壳如：铝塑膜、不锈钢壳、铝壳导电剂是指能够增强活性材料间及活性材料与集流体导电剂是指能够增强活性材料间及活性材料与集流体间的电子导电能力材料如：导电炭黑、碳纳米管等粘结剂是指增强材料与材料之间及材料与集流体之间粘附力粘结剂是指增强材料与材料之间及材料与集流体之间粘附力的材料如：SBR、PVDF等等添加剂是指增强电池安全性及稳定性的特殊物质如：成膜添加剂、阻燃添加剂等等2014‐3‐2113仅限内部培训典型的锂电池2014‐3‐2114仅限内部培训圆柱形锂离子电池结构图密封圈隔膜限流开关绝缘垫2014‐3‐2115仅限内部培训方（角）形锂离子电池结构图仅限内部培训2014‐3‐2116软包装锂离子电池结构图2014‐3‐2117仅限内部培训锂离子电池结构——正极正极物质：钴酸锂+碳黑+PVDF正极物质：钴酸锂+碳黑+PVDF正极集流体：铝箔（约0012mm厚)正极极耳：铝带（约0.1mm厚）正极集流体：铝箔（约0.012mm厚)2014‐3‐2118仅限内部培训锂离子电池结构——正极LiNi(1‐x)/2CoxMn(1‐x)/2O2LiMn2O4LiFePO4LiCoO2/LiNiO2MaterialTheorySpec.Cap.(mAh/g)ActualSpec.Cap.(mAh/g)Density(Kg/L)Volt.(V)SafetyCostLiCoO22751405.053.7mediumhighLiNiO22742204.803.4worsemediumLiMn2O41481104.203.8goodlowLiFePO4170120-1603.703.4goodlow锂离子电池结构——负极负极极耳：镍带（约0.07mm厚）负极集流体：铜箔（约0.008mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR2014‐3‐2120仅限内部培训锂离子电池结构——负极Natural graphiteArtificial graphiteAlloyLi4Ti5O12LiC66C + Li+ + e‐6lC6*12726mol C=6*12=72gCapacity of 1mol e= 1.60217733*10‐19C *6.0221367*1023 = 96485.309C =96485309/3600Ah=2680174Ah=26802mAh=96485.309/3600Ah =26.80174Ah = 26802mAhGram specific capacity= 26802mAh/ 72g =372mAh/ gActualcapacity:280~370mAh/gActual capacity:280370mAh/ gGraphite capacity2014‐3‐2121仅限内部培训锂离子电池活性材料趋势图2014‐3‐2122仅限内部培训锂离子电池结构——隔膜材质：单层PE（聚乙烯）或者三层复合PP（聚丙烯）+PE+PP+PE+PP厚度：单层一般为0.016～0.020mm三层一般为0.020～0.025mm2014‐3‐2123仅限内部培训锂离子电池结构——隔膜Microstructure of the microporouspolyolefinmicroporous polyolefin membranes made by dry process (a) and wet process (b)til(b), respectively.Schematic structure of the Separion separators.p2014‐3‐2124仅限内部培训锂离子电池结构——电解液•性质：性质：无色透明液体，具有较强吸湿性。•应用：主要用于可充电锂离子电池的电解液，只能在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）。•组成：•组成：溶剂如：DMC;EMC;EC溶质如：LiPF6添加剂如：成膜添加剂；阻燃添加剂•质量指标：密度（25℃）g/cm31.23±0.03水分（卡尔费休法）≤20ppm游离酸（以HF计）≤50游离酸（以HF计）≤50ppm电导率（25℃）10.4±0.5 ms／cm2014‐3‐2125仅限内部培训锂离子电池结构——电解液Lithium‐SaltSolvent+εviscositymobilityinertinertliquidnontoxicqsafeLiClO4LiAsF6LiPF6LiBF4LiCF3SO3LiN(SOCF)LiN(SO2CF3)22014‐3‐2126仅限内部培训四：锂电池的关键性能四：锂电池的关键性能2014‐3‐2127仅限内部培训锂离子电池性能参数锂离子电池性能参数常规性能•常规性能：容量电压内阻•可靠性性能：循环寿命充放电平台自放电贮存性能循环寿命充放电平台自放电贮存性能高低温性能•安全性能过充短路针刺跌落浸水低压振动挤压碰过充短路针刺跌落浸水低压振动挤压碰撞热失效模拟溅射模拟2014‐3‐2128仅限内部培训容量容量•电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号Cap表示常用的单位为安培小时简称安时（Ah）以符号Cap表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。•电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。•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，常用比容量的概念单体单给论单，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。实际容量是指电池在定条件下所能输出的电量它等于放电•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。•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•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。2014‐3‐2129仅限内部培训电压压•开路电压•开路电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差电池的开路电压等于电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差。工作电压•工作电压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。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电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。2014‐3‐2130仅限内部培训内阻内电流通过电池内部时受到阻力使电池的电压降低此阻•电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。•电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为性物质的组电解液浓度度都在断地改变的内不是常数在放程中随时间不断变化为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。•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。欧姆电阻遵守欧姆定律极化电阻随电流密度增加而增大•欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电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。2014‐3‐2131仅限内部培训循环寿命循环寿命•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80%，此时循环次数即为该电池之循环寿命•循环寿命与电池充放电条件有关(电流温•循环寿命与电池充放电条件有关(电流、温度等）•锂离子电池室温下1C（1小时内将容量完全放出的电流大小）充放电循环寿命可达300‐放出的电流大小）充放电循环寿命可达300500次（行业标准），最高可达800‐1000次。322014‐3‐21仅限内部培训锂电池安全性能Shut down of separator above 130℃pPositive temperature coefficientProtection of BMS2014‐3‐2133仅限内部培训过充CH3OCO2CH3+ 2e‐+ 2Li+→ 2CH3OLi↓+ CO↑CHOCOCH+2e‐+2Li++H→LiCO↓+2CH↑Electrolyte idtiCH3OCO2CH3+ 2e+ 2