锂离子电池培训1——电池的特性

电池的特性与电池组质量控制（内部培训资料，不得外传）电芯的性能特征如何分辨三种不同的锂离子电池如何判断电池的优劣影响电池组性能的重要参数电池组的质量控制01锂离子电芯的性能特征锂离子电池的分类O锂电池与锂离子电池锂电池锂离子电池O锂离子电池的分类磷酸铁锂锂离子电池钴酸锂锂离子电池锰酸锂锂离子电池三元锂离子电池锂离子电池的工作原理锂离子电池的特点正极材料钴酸锂镍钴锰锂锰酸锂磷酸铁锂电压平台V3.63.63.73.2重量比能量Wh/Kg130-200140-200100-18090-120循环性能（次）≥300≥800≥500≥2000原料成本很高高低廉较低制备工艺容易比较容易比较容易较成熟环保环保（含钴）环保（含镍、钴）环保环保安全性能差较好良好优秀高温性能差0~45℃较好差，超过60℃很快损坏很好低温性能好较好较好差倍率性能好好较差好一致性好好好较差电池的分类O按正极材料分•磷酸铁锂•钴酸锂•锰酸锂O按电池形状分•方形•圆柱形•软包O按使用情况分•容量/能量型•功率型电池组的容量O电池容量•额定容量•标称容量•实际容量O单体电池容量与电池组的容量木桶效应：短板电池决定电池组容量O提高电池组的容量单体容量过量一致性工作电压O电压•额定电压•标称电压•实际电压O电池组电压越高串联数影响越不明显O三元：2.75-4.2V；O铁锂：2.5-3.6V工作电流O充放电倍率•以容量为基准的倍数表示方法•I表示•C表示O最大持续充放电电流O瞬间充放电电流O通常放电适应的电流比充电电流大功率、电压和电流O通过功率和电压计算电流I=P/U•U的选取–铁锂电池和三元电池–根据电池组容量来修正电压–根据应用环境来修正电压•负载的功率选择–额定功率–最大功率–正常应用功率O计算放电倍率选择电池Ic=I/CO电池能够大电流放电不代表长期适用大电流放电体积比能量与质量比能量O初步判断能否满足需求或需求是否合理OGv=U*C/VGp=U*C/M电芯的体积比能量•三元电池的体积比能量：以12114188（20Ah)软包电芯计算在280Wh/L，645698（4Ah）在400Wh/L•磷酸铁锂：1078178（10Ah)为例，在230Wh/L电芯的质量比能量•三元软包通常在140-160Wh/Kg•铁锂软包通常在110-120Wh/Kg,方形通常在100-120Wh/KgO组合占据体积的考虑中小型应用比较紧凑，增加10-20%大型电池组考虑问题多，至少增加20-30%的装配、BMS等空间锂离子电池的充电曲线锰酸锂电池O充电曲线前期电压上升很快充电基本无平台充电最终电压在4.2-4.25V极限电压4.5V易故障O放电曲线放电基本无平台放电平均电压在3.6-3.7V3.6V以下下降比较快放电终止电压2.75-3.0V极限最低电压2.45V三元电池(钴酸锂电池）O充电曲线与锰酸锂接近，但4.0V前充电容量多O放电曲线与锰酸锂接近，平均放电电压略低于锰酸锂3.6V以下电压下降比较慢磷酸铁锂锂离子电池IFPP42电池倍率充电性能3.23.253.33.353.43.453.53.553.63.653.73.753.801020304050容量Ah电压V4C5CIFPP42不同倍率放电2.52.62.72.82.933.13.23.33.4051015202530354045放电容量Ah电压V2C3C4C5CO充电曲线有明显的充电平台充电电压通常在3.6-3.8V，电压明显与LMO、LCO不同极限电压4.20VO放电曲线有明显放电平台放电平均电压3.20V放电电压通常在2.0-2.5V极限电压2.0V锂离子电池的循环寿命02如何区分三种锂离子电池电压比较O标称电压磷酸铁锂电池：3.2V、3.25V钴酸锂电池：3.6V锰酸锂电池：3.7V三元电池：3.6V、3.7VO静态电压完全放电电压充满电或半荷电电压O充电电压/充电曲线O放电电压/放电曲线比能量比较O容量磷酸铁锂电池:可以做较大容量的电池三元或钴酸锂电池：单体超过20Ah的基本没有O比能量磷酸铁锂电池：低三元或锰酸锂：高电芯比较O磷酸铁锂圆柱：IFR18650软包：LFP11119214O钴酸锂圆柱：ICR18650软包：ICP9081230O锰酸锂圆柱：IMR18650软包：IMP9081230O三元ICSP富钴ISMP富锰几种材料掺杂NCM结构特点比较圆柱形方形软包装安全性安全阀双重保护，PTC泄气阀外壳保护耐压性高中差功率性能好较好一般组合体积大小小组合成本高低低形状标准壳体金属或塑料壳体，改变较难可以制作成各种大小电池散热性能良好一般差工艺性成熟，易于自动化生产一般一般组合特点体积大，散热表面大组合体积小，组合工艺简单组合工艺较简单，机械强度低安装方式各方位向上各方向应用领域广泛（动力类及消费类）动力电池动力电池03如何判断电池的优劣判断基准O容量O充电的比较O放电的比较O倍率性能的比较O特殊性能（如低温等）的比较O性价比O一致性比较合适的就是最好的容量O容量高的电芯性能就好吗？性能的平衡性O有效容量倍率对放电电压的影响温度的影响O如何比较电池容量基准的确立比较标准充电的比较O充电电压平台倍率影响温度影响O恒流/充电总容量比O充放电效率O电池温度放电的比较O放电电电压平台倍率影响温度影响中值电压与平均电压O放电容量O放电电池温度O温度对放电的影响特殊性能O用户指定的特殊性能高温环境低温环境O工艺操作性O物理特性的细微差别一致性电池的一致性：O一致性的影响电池系统的寿命电池系统的应用电池系统的安全O一致性的内容容量的一致性功率的一致性系统内温度的一致性O一致性的控制电池设计初期性能的一致性控制应用过程中的一致性控制电池一致性保障O设计的一致性保障稳定的原材料供应商电极与极组设计电池模块及系统的热管理设计O电池初期性能的一致性保障一流的设备与工艺生产环境等质量控制根据电池动态特性的一致性配组O电池应用过程的一致性保障电池均衡热管理及电池保护系统维护电芯初期性能的一致性O容量容量偏差如何配组O内阻的一致性内阻的控制内阻的配组O电压的一致性电压的一致性就是自放电的一致性采用何种电压电压一致性的控制04影响电池组性能的重要参数温度的影响-电池大小厚度或直径影响温度、电流分布7882869094981020200400600800100080V60Ah电池组25℃:0.5C均衡充电@1C放电循环曲线80V60Ah电池组45℃：0.5C充电@1C放电循环曲线80V60Ah电池组25℃：0.5C@1C放电循环曲线80V60Ah电池组不同温度环境循环曲线循环次数（次）剩余容量百分比（%)02040608010012005000100001500020000循环次数相对放电容量%20℃0℃55℃温度对电池寿命的影响符合Arrhenius公式：/0ERTdMAedT温度升高，反应速度加快。对于锂电池，假设粗略估算电池内导致电池失效的退化反应的自由能为-50KJ/mol，而且没有其他副反应，就可以得到20℃与21℃下Arrhenius与温度的依赖关系：f=exp（E/R（1/294-1/293））=exp[-50000/8.314（1/294-1/293）]=1.0723温度的影响-循环寿命6065707580859095100105110-30-20-100102030405060温度℃效率%NiMH磷酸铁锂电池温度的影响-对放电的影响5060708090100-30-20-100102030405060温度℃效率%Ni/MHLi-ion(LiFePO4)低温充电的安全性；高温充电的安全性。温度的影响-对充电的影响过充电与过放电在过放电过程中，材料分解，温度失控，带来安全隐患。同时，锂离子电池负极基体（铜箔）在电池过放电至1~2V时，将开始溶解，并在正极上析出，小于1V时正极表面则开始出现铜枝晶，电池内部出现短路，带来安全隐患，并使电池失效。在过充电过程中，材料分解，温度失控，带来安全隐患。同时，锂金属在负极表面集聚，容易形成电池内部短路，安全隐患。05电池组的质量控制成组质量影响因素O影响因素组成电池组的组成包括电芯、保护板，以及连接的可靠性、装配的可靠性。•每项的可靠性均影响电池组的合格率，它们之间是串联关系。O没有绝对的标准说哪一种电芯质量最好电芯质量影响O电芯的组合数量直接影响电池组的合格率。O影响电芯合格率的主要参数包括：外观：主要影响参数容量：关键影响参数电压（自放电）：关键影响参数组合数量电池组合格率（99.5%）电池组合格率（99%）199.599299.7599.5399.8399.67499.8799.75599.9099.80699.9299.83899.9499.871099.9599.904099.9999.975299.9999.98工序合格率控制的重要性O目标电池组合格率要达到99%以上。则平均每项的合格率必须做到：99.75%以上。O比较容易的参数控制：连接合格率：必须控制在99.9%以上；装配合格率：控制在99.99%以上BMS：控制在99.5%以上。O40只和52只电芯的组合合格率要达到99.61%以上，这样单体电芯的合格率要分别达到99.99%和99.992%。关键保证工艺质量，严格控制电芯质量。O供应商要求外观质量必须控制在100%容量合格率控制在100%自放电（电压）的控制，组合前必须控制在100%因为工艺质量、长期储存、应用会对电芯造成一定影响，这部分就会达到0.01%的不合格率。