锂离子动力电池基础及应用20070111

TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子动力电池基础及应用2007-01-11TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子电池的分类锂离子电池锂离子动力电池锂离子高容量电池高功率动力电池（应用于电动工具）大容量动力电池应用于电动自行车电动汽车等TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子电池充电原理充电时，Li+从正极脱嵌经过电解液穿过隔膜微孔达到负极表面，并嵌入负极石墨微孔内，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，从而形成电势差。同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子电池放电原理放电时，Li+从负极脱嵌经过电解液穿过隔膜微孔达到正极表面，并回到正极层面间或三维隧道结构中，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。同时电子的补偿电荷从外电路供给到正极，保证正极的电荷平衡。正常充放电情况下，锂离子在层状结构的正负极间嵌入和脱出一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构。额定电压为3.6—3.8V，放电电压会随放电的深度而逐渐下降。TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子电池优点•高能量密度（500wh/L三元材料和钴酸锂体系)•高工作电压(3.7V)•长循环寿命（500次以上）•电化学特性稳定•荷电保持能力强（90％以上）•无污染•无记忆效应TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture圆柱电池的组合•绝大多数组合电池都使用圆柱型电池•圆柱电池都是中心放电，在结构上能更好的确保放电一致性•圆柱锂离子电池的盖板都带有CID,在电池过充或短路情况下CID可以断开，相同材料的情况下比方型电池安全•圆柱电池比方型电池的体积比容量要高•圆柱电池组合后的散热比方型电池好TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子电池制造工艺流程注液配料卷绕检测分容涂布制片化成滚槽压片分选包装TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture决定锂离子电池特性的主要因素电极活性物质的选择电解液（一定比例有机溶剂和锂盐组成的混合体系）隔膜（三层PP/PE/PP)电极的设计极片生产工艺和设备TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture钴酸锂体系优点克容量高（140mAh/g），放电电压高3.7V倍率性能好,压实密度高材料合成简单，应用成熟缺点耐过充、过放能力欠佳(4.25V)热稳定性比其他几种正极材料差钴资源缺乏，价格昂贵TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture镍钴锰三元体系优点非常好的安全性（过充和热稳定性），耐过充能力非常强，4.8V的安全性与钴酸锂4.2V相当；非常好的循环特性（2.75-4.2V之间）克容量高（大于140mAh/g），充电到4.4V克容量超过150mAh倍率性能良好缺点放电电压稍低，在3.55V左右合成工艺非常复杂，得到单相材料比较困难TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture优点安全性特别好，表现在热稳定性非常突出放电电压高,达到3.8V倍率性能优良价格低廉缺点材料克容量低，约100mAh/g高温循环性能不好，需要掺杂加以改善锰酸锂体系TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture磷酸亚铁锂体系优点非常好的安全性（主要是热稳定性），由磷酸盐的稳定性决定的。在超大型动力电池上应用比较有优势。非常好的循环特性（2.00-3.65V之间）原材料成本非常低TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture磷酸亚铁锂体系缺点放电电压非常低，在3.2V左右低温性能非常差体积比能量低：18650的容量1100mAh，10C放电时提供的功率密度仅为镍钴锰三元材料掺杂材料的70％，在即追求容量又要求功率的小型动力电池上很难同时满足要求。材料体电导率非常差，在动力电池上应用要加入非常多的导电炭粉来提高电导率，导致电极的加工非常困难，成品率低。目前研究开发还不太深入，国内材料厂都处在送样阶段，不能提供性能稳定的材料供电池厂使用。知识产权问题是磷酸亚铁锂在锂离子电池上使用所不可避免的问题TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子电池的性能指标•常规性能：容量电压（开路电压和放电电压）内阻•电性能：大电流循环保持率恒流充电容量自放电贮存性能倍率性能循环内阻变化高低温性能•安全性能过充短路热冲击跌落振动重物锤击TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture圆柱型锂离子电池安全特性的实现1、正极材料的选择：热稳定性、耐过充放电及材料的克容量高的正极材料作为动力电池活性物质首选。这也是实现锂离子电池安全性的重要方面。2、电池盖复合结构过充电和高温时，电池盖的CID在电池内压达到一定程度会断开，电池断路。同时气压更高时防爆阀会打开，确保电池的安全TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture圆柱型锂离子电池安全特性的实现3、隔膜的自动关断保护：采用三层复合膜。在电池升温达到120℃的情况下，复合膜的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。4、电解液中加入添加剂：在电池过充电压达到4.6－4.8V时，电解液添加剂发生聚合反应，使电池内阻大幅增加，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。同时产生大量气体，使CID断开。5、严格的制程工艺控制水分和粉尘非常重要，金属杂质的混入非常致命，同样的材料在不同的生产工艺控制下制造的电池会有截然不同的性能圆柱锂离子电池的安全性是通过材料和良好的结构设计及生产工艺的综合来实现的。安全性能好的正极材料仅仅是锂离子电池安全性的一方面。TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子电池的爆炸机理•爆炸机理：锂离子电池本身的荷电能量并不能导致电池发生爆炸，而是由于在滥用条件下，如在过充电时，正负极材料在高度脱锂和嵌锂状态下不稳定，而且负极表面沉积的金属锂在高温下溶化，与电解液发生剧烈的放热反应。如果此时锂离子电池的结构上的安全措施CID和防爆阀不能及时打开，产生的热量将导致电池的热失控而发生起火爆炸。电池发生内部短路时，局部尖端放电产生大量的热不能及时向外散发也会导致电池起火爆炸。TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture小型锂离子动力电池的安全性小型锂离子电池在正常使用条件下的安全性是非常可靠的。即使热稳定性相对较差的钴酸锂也是非常安全的，特别是体积比能量相对更低的小型动力电池安全性更突出，品质可靠的小型动力电池即使滥用条件下的安全性也是可以信赖的。•但是，液态锂离子电池的电解液是以易燃的有机溶剂为主，从理论上不可能排除锂离子电池起火性可能性，所以宣称绝对安全的液态锂离子电池是不存在的，包括磷酸亚铁锂电池也不例外。TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture•所有的锂离子电池都要使用保护板对电池进行保护；电池的耐过充和过放电只是可以简化保护板的设计，不用保护板对锂离子电池的使用寿命和性能有很大影响，保护板能有效的为锂离子电池提供最佳的工作环境。从锂离子电池的工作原理上是不可行的：在过充时，石墨负极的嵌锂容量是有限的，一旦超过了负极的嵌锂能力就会在石墨表面析出活性非常高的金属锂，而且高度脱锂的金属氧化物正极结构是很不稳定的，从而引起强烈的副反应，导致电池性能恶化直至电池失效。而过放电就相当于负极中嵌入的锂离子全部脱出插入正极后还继续强制放电，负极被迫脱出铜离子覆盖在正极的表面（析铜），此过程是不可逆的，一旦发生，电池的容量和电压不可以再恢复，电池很快就失效。Sony宣称的不要保护板的18650动力电池（Sony循环100周容量保持率92％,CHAM循环100周容量保持率89%)一般单体电池充电不超过4.25V，1C放电电压不低于2.75V。放电电流越大，截止电压可以设置越小。锂离子动力电池使用注意事项（一）TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子动力电池使用注意事项（二）•锂离子电池完全无记忆效应，浅充浅放能延长电池的使用寿命。电池的性能表现会更加优异。•锂离子电池在1C以下电流充电时（只要电池电压不超过4.2V），电池是吸热的。而镍镉电池充满电时温度会升高。•储存条件在电压3.75-3.85V,0～20℃条件下较合适，满电、低电压（低于3V）及高温（超过40℃）长期储存电池会加剧性能恶化。•锂离子电池远距离运输宜在低的荷电态下进行（3－3.3V).•所有破坏性安全测试的电池都不可以再使用TheProfessionalCylindricalLi-IonBatteryManufacturerAdvancedTechnologyPoweringtheFuture锂离子动力电池使用注意事项（三）•环境温度对电池性能有很大影响在所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，在电极/电解液界面上的电化学反应与环境温度密切相关。如果温度下降，电极的反应率随着下降，锂离子的迁移速率也将大幅度下降，电池内部的浓差极化增大，假设电池放电电流保持恒定，放电电压下降会非常明显，电池的功率输出