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电池综合基础知识培训资料2013年度培训资料MAKE:ENG/覃正君TIME:2013.05.03QQ:420968286TEL:13751003063章节目录1.锂离子电池的电解液2.各种材料电池的对比3.锂离子电池的安全性能影响因素4.移动电源在消费电子上的运用第一章:锂离子电池的电解液1.电池的电解液是电池的一个重要组成部分，对电池的性能有很大的影响。但是水的理论分解电压只有1.229V，而锂离子电池电压高达3～4V，所以必须采用非水电解液作为锂离子电池的电解液。电解液综述：第一章:锂离子电池的电解液2.锂离子电池电解液分为液体、固体和溶盐电解质三类：电解液综述：第一章:锂离子电池的电解液锂离子电池采用的电解液是在有机溶剂中溶有电解质锂盐的离子型导体。虽然有机溶剂的锂盐的种类很多，但真正能用于锂离子电池的却很有限，一般作为实用锂离子电池的有机电解液应该具备以下性能：1、离子电导率高，一般应达到10-3～2×10-3S·cm-1；锂离子迁移数应接近于1。2、电化学稳定的电位范围宽；必须有0～5V的电化学稳定窗口3、热稳定性好，使用温度范围宽，能在范围内稳定。有机溶剂电解质的性能要求：第一章:锂离子电池的电解液4、化学稳定性高，与电池内体系的电极材料如正极、负极、集电体、隔膜、胶粘剂等基本上不发生反应。5、安全低毒，最好能够生物降解。6、尽量能促进电极反应的进行。7、对于商品锂二次电池，容易制备，成本低也是一个重要的考虑因素。有机溶剂电解质的性能要求：第一章:锂离子电池的电解液1.与正负极的相容性。2.随电压升高，电解质溶液分解产生气体使内压增大，导致对电池空难性的破坏以及升高电池工作温度时溶剂的抗氧化能力较低。电解液目前存在的突出问题：第一章:锂离子电池的电解液电解质的好坏直接关系到电池的容量、使用寿命等性能合适的电解质盐必须具备下述条件：1.溶液的离子电导率高；2.化学稳定性好，即不与溶剂、电极材料发生反应，热稳定性好；3.电化学稳定性好，具有较宽的电化学窗口；4.使锂在正反极材料中的嵌入量高和可逆性好等。总述：第一章:锂离子电池的电解液电解液在电极界面上的化学或电化学反应，对电池的容量特性及充放电特性有重要的影响，通过对负极或正极与电解液界面的研究不仅对电解液和电极材料的选择，而且对界面反应的控制，对提高电池的性能都具有重要的指导作用。电解液因素对电池性能的影响：第二章:各种材料电池的对比锂离子电池正极材料的特点和性能:LiCoO2氧化钴-锂这种材料是我们国内电池厂用的最为广泛，最为稳定的锂离子电池正极材料之一。现在绝大部分手机电池都是使用的这种材料做正极活性物质。晶体为层状结构。工作电压范围3.0~4.2v。放电平台电压3.7v。循环寿命500~800次。制作电芯时加工性能好，克容量140mah/g左右。电芯容量高。缺点为价格高，安全性能差。第二章:各种材料电池的对比锂离子电池正极材料的特点和性能:LiMn2O4-锰酸锂这种材料价格便宜适合做大型的动力电池，晶体为层状结构（LiMnO2为尖晶石结构，这种材料合成比较困难还不能做到批量生产）。工作电压范围3.0~4.3v。放电平台电压3.9v。循环寿命200-300次。这种材料（纯的）高温下（40度以上）会生成低电位的缺陷尖晶石相造成容量剧烈衰减，而且虽然说这种材料的工作电压范围为3.0~4.3v。但是在低于3.9v时会出现一个John-Teller晶型扭曲造成材料结构发生破坏，所以现在合成的LiMn2O4是以掺杂改良为主。目的是为了提高这种正极材料的结构稳定性。但是通过搀杂改良提高材料稳定性的同时是不可避免的牺牲了材料的克容量，改良后的克容量为80-120mah/g。制作电芯时加工性能一般。电芯容量低。第二章:各种材料电池的对比锂离子电池正极材料的特点和性能:LiFePO4-磷酸铁锂这种材料安全性能高适合做对能量密度要求不高的动力电池。现在所发现的最为稳定的锂离子电池正极材料。晶体为橄榄石结构基本不导电！工作电压3.0~3.6v放电平台电压3.3~3.45v。循环寿命2000~5000次。由于其晶体结构基本不导电，所以在这种材料制作的时候粉体颗粒做的很小，然后在其表面包覆一层碳提高其导电性。这样就造成其加工复杂。而且制作电芯时加工性能差。克容量140mah/g左右。电芯容量低。价格中等。第二章:各种材料电池的对比锂离子电池正极材料的特点和性能:Li(NiCoMn)O2-镍钴锰酸锂这种材料克容量高，约为160~170mah/g，晶体为层状结构。工作电压范围3.0~4.3v。放电平台电压3.6v。循环寿命500~800次。制作电芯时加工性能一般。电芯容量高。价格中等。缺点：高温（大于70度）时有气体产生。适合做钢、铝壳锂离子电芯。第二章:各种材料电池的对比锂离子电池正极材料的特点和性能:LiNiO2-镍酸锂这种材料克容量高，约为170~180mah/g，晶体为层状结构。工作电压范围3.0~4.7v。放电平台电压3.3v。循环寿命低。合成困难。制作电芯加工性能一般。电芯容量高。安全性能特别差。但是2006年日本松下公司解决了这些方面的缺陷，通过公开的资料表明其做法为在正、负极片表面通过气相层积层积一层Al2O3【氧化铝】陶瓷，解决了安全问题。第三章:锂离子电池的安全性能影响因素前言讲述：随着锂离子电池的广泛应用，对电池安全性的关注也日益受到人们的重视，虽然相对于金属锂二次电池来说，因较为完美的解决了锂枝晶的问题而使电池安全性有了很大的提高，但仍存在许多的隐患，如：电池的耐过充性能，热冲击性能等，在很大程度上，仍达不到电池安全测试所规定的要求。因此，对安全性能影响因素的研究也就日益重要从根本上来说，电池安全问题的产生主要有两个因素，一是电池内部由于各种原因产生热量，当产热速度大于散热速度时，便有可能出现安全性问题；二是电池内部产生气体，当电池壳体不能承受气体的膨胀时，便会产生安全问题。而实际上，往往是两个因素同时作用。第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：目前应用在锂离子电池中的正极材料，主要为Co、Ni、Mn的各类嵌锂氧化物。就材料特性而言，LiCoO2制备工艺简单，开路电压高、比能量大、循环寿命长，能快速充放电，电化学性能稳定，安全性能尚可；LiNiO2由于制备过程控制条件不同，很容易形成非化学计量化合物，致使电化学性能不稳定，不耐过充电；LiMn2O4耐过充电，安全性能好，但循环性能差，高温容量衰减快，理论比容量相对较低，难以制得纯净的单相产物，且充放电时尖晶石结构不稳定。正极材料的影响：第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：应用在锂离子电池上的负极材料一般均为碳素材料，如石墨、软碳、硬碳等。在锂二次电池中，过去以锂金属为负极时，电解液与锂反应，在金属锂表面形成锂膜，导致锂枝晶生长，易引起电池内部短路和电池爆炸，采用碳材料作为负极后,较好地解决了锂枝晶的问题，使电池的安全性能得到了很大的提高。但负极碳材料对电池安全性的影响仍不容忽视，主要包括如下一些情况：1.随着温度的升高，嵌锂状态下的碳材料会首先与电解液发生放热反应。同时，不同的碳材料、不同的电解液之间的相容性也有很大的差别。对各类碳材料来说。碳层间距大小、碳微粒半径都将成为锂离子嵌入/脱出速率、以及碳材本身形变程度等的制约因素，也就导致了安全问题的产生。负极材料的影响：第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：2.在对电池进行首次充放电时，碳负极会与电解液反应生成SEI膜，膜的厚度和致密度将对电池性能（包括安全性能）造成很大的影响。如果膜不稳定或致密度不够，一方面电解液会继续发生分解，另一方面溶剂会发生共插入，导致碳结构的破坏。表面膜的好坏与碳材料的种类、电解液的组成有很大的关系。据有关报道：将碳材料表面弱氧化或经还原、掺杂表面改性的碳材料以及使用球形或纤维状的碳材料都有助于SEI膜质量的提高。3.到目前为止，公司聚合物电池使用的负极材料基本上是石墨材料，对石墨材料而言，在充放电过程中，石墨间距层改变，易造成石墨层剥落、粉化，还会发生锂与有机溶剂共同嵌入石墨层及有机溶剂的分解，使电池安全性能以及其它性能受到影响。因此，对负极材料的选择或改性是提高电池安全性能的一个重要方面。负极材料的影响：第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：电池设计因素的影响：电池设计过程中，如果参数选择不当，一方面会造成电池的容量、电压特性、循环特性达不到要求；另一方面对电池的安全性能也会造成影响。对电池设计在安全性能的影响上而言，容量的配比是一个重要的因素，正极容量过大将会导致金属锂在负极表面沉积，形成锂枝晶而造成电池内部短路。正极容量过小，则又会造成容量的损失，导致材料浪费。一般要求负极过量10%左右为适宜值。同时，集流体长度、厚度的选择也是须考虑的因素，否则有可能造成电流密度过大而形成极化现象，导致锂枝晶的形成。对极耳长度、宽度的选择也是如此，否则还有可能造成内阻过大而产生发热现象。第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：装配过程的影响：电池在装配过程中必须严格按要求进行，否则易对安全性能造成影响。对负极耳的包扎必须到位，否则裸露的铜箔或极耳处镍带易形成极化电流引发安全事故。卷绕过程是关键，必须卷绕整齐，不折叠极片或隔膜。要求隔膜严格地将正负极片隔开，不造成正负极片间短路。同时，操作时必须小心、仔细进行，不致于人为造成极片、隔膜损坏(如出现划痕，或造成掉料等)。电芯冲压时力度要适当，避免挤压时造成掉料或挤破隔膜造成内部短路。装壳时最易出现的现象是划破卷芯，因此必须小心、仔细进行，避免人为地造成不安全因素。焊极耳时注意不要造成正负极耳的粘连。激光焊的焊接质量必须考虑，否则易产生短路现象。同时焊接的密封性也会对安全因素造成影响，否则造成电解液的泄漏等质量问题。第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：使用条件，使用环境对电池安全性能的影响：锂离子电池对使用环境，使用条件要求非常严格，使用不当将对电池性能造成严重的影响，并有可能引发安全事故。电池在高温下使用时，电解液与负极的反应将进一步发生，同时电解液有可能发生分解并放出热量，若散热条件不好，则有可能造成安全事故。在低温下使用时，锂离子沉积速度有可能大于嵌锂速度，从而产生锂枝晶造成短路。在过充电的情况下，一方面正极会与电解液发生氧化反应而放热，另一方面电解液本身发生分解，放热并产生气体，情况严重时便有可能发生爆炸或起火。过放时，1.5V以下铜发生溶解，小于1V时正极表面易出现铜枝晶，造成内部短路。第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：使用条件，使用环境对电池安全性能的影响：在振动、冲击、跌落、挤压等情况下，一方面电池有可能因为极耳折断、脱落等原因造成短路或断路，另一方面可能因电池变形造成掉料，内部正负极接触等现象，引发爆炸、起火等发全事故。此外，使用、保存不当而造成电池外部短路也有可能导致电池爆炸或起火等现象。第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：电池安全性能检测方法及要求：按GB/T18287-2000要求，对电池安全性能检测主要有4项要求：重物冲击、热冲击、过充电、短路。各检测方法及要求如下：1.重物冲击：将电池置于冲击台上，将10kg重物自1m高度自由落下，冲击用夹具固定的电池(电池最大面积应与台面垂直)，电池允许变形，但应不爆炸、不起火。2.热冲击：将电池置于加热箱中，以5±2℃的速率升温至150±2℃，保温30min，电池应不起火、不爆炸。第三章:锂离子电池的安全性能影响因素电池材料对电池安全性能的影响：电池安全性能检测方法及要求：3.过充电：将装有热电偶的电池接上恒流恒压源，调节电流为3C，电压为n×10V(n为电池组中电池的个数)，对电池进行充电，同时监测电池温度变化，当电池温度下降到比峰值低约10℃时，停止实验。电池应不起火、不爆炸。4.短路：将接上