锂电池基础知识

1锂离子动力电池基本知识主讲：时间：地点：2大纲电池分类电池术语与及使用基本常识磷酸铁锂动力电池之结构磷酸铁锂动力电池之应用领域磷酸铁锂动力电池之工艺流程磷酸铁锂动力电池之生产设备锂离子电池之性能指标3电池种类划分一次电池小型二次电池：镍镉、镍氢、锂离子铅酸电池动力电池燃料电池太阳能电池-地面光伏发电其他新型电池4电池术语与及使用基本常识5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C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。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，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。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内阻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，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。7负载能力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内压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溶液分解产生的气体于电池内聚集所致。9充电率(C-rate)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。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终止电压(Cut-offdischargevoltage)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。根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开路电压(OpencircuitvoltageOCV)电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。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。12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。13放电深度(DepthofdischargeDOD)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。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，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过放电(Overdischarge)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过充电(Overcharge)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、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。16能量密度(Energydensity)电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。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自我放电(Selfdischarge)电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。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行业标准锂离子电池月自放电率小于12%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放电平台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时的容量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平台行业标准1C放电平台为70%以上19放电倍率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）根据放电倍率的大小，可分为低倍率（0.5C）、中倍率（0.5-3.5C）、高倍率（3.5-7.0C）、超高倍率（7.0C）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充电循环寿命(Cyclelife)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循环寿命与电池充放电条件有关锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。21记忆效应(Memoryeffect)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。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。镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应22化成电池制造后，通过一定的充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分容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电池充电方式介绍快速充电：充电电流大于0.2C，小于0.8C则是快速充电。慢速充电：充电电流在0.1C-0.2C之间时，我们称为慢速充电。涓流充电：充电电流小于0.1C时，我们称为涓流充电。超高速充电：充电电流大于0.8C时，我们称之为超高速充电。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。快速自动充电方式：通常所使用的是余弦法充电，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。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如何计算充电时间充电时间(小时)=充电电池容量(mAh)/充电电流(mA)*1.5的系数假如你用1600mAh的充电电池，充电器用400mA的电流充电，则充电时间为:1600/400*1.5=6小时26锂离子电池保护线路——过充电保护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锂离子电池保护线路——过放电保护过放电保护:过放电保护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28什么叫锂离子电池？锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2、LiXMnO2或LiFeO4负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。电解质为溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等有机溶液。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，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锂离子电池电化学反应机理正极反应：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锂离子电池结构正极活性物质（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2\LiFeO4)导电剂、溶剂、粘合剂、基体负极活性物质（石墨、MCMB)粘合剂、溶剂、基体隔膜（PP+PE）电解液（LiPF6+DMCECEMC)外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）31圆柱形锂离子电池结构图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锂离子电池结构——正极正极基体：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锂离子电池结构——负极负极基体：铜箔（约0.015mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR负极集流体：镍带（约0.07mm厚）34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厚度：单层一般为0.016～0.020mm三层一般为0.020～0.025mm35锂离子电池结构——电解液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，只能在干燥环境下使用操作（如环境水分小于20ppm的手套箱内）。规格：溶剂组成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6浓度1mol/l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）≤50ppm电导率（25℃）10.4±0.5ms／cm36以磷酸铁锂为正级材料的动力电池特点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。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的工具电池，大型动力电池，特别是车用电池部分。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。转换效率佳：转换效率达95%，优于铅酸的60%、镍镉的70%。轻薄短小：体积重量仅为铅酸的50%，镍镉的70%。无污染，不含任何对人体有害的重金属元素；37磷酸铁锂动力电池的应用领域电动工具类：高功率电动工具（无线）；电锤、电钻、除草机等；电动自行车(Ebike)市场电动玩具市场太阳能LED路灯储能市场小型设备医疗设备：电动轮椅车，电动代步车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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(2009镍镉将全面退出市场)38圆柱型磷酸铁锂动力组合电池8串4并成品组合电池39