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锂离子电池介绍1广东凯德能源科技有限公司刘青2012.4.3目录一.锂离子电池的概论二.锂离子电池的原理三.锂离子电池的生产工艺流程四.锂离子电池的特性五.锂离子电池的应用六.锂离子电池的认证2一.锂离子电池概论1.1电池电池是指通过正负极之间的电化学反应将化学能转化为电能的装置。充电时，正负极活性物质将电能转化为化学能进行储存。放电时，正负极活性物质将化学能转化为电能释放，作为电能供给装置。活性物质：电池充放电时，能进行氧化或还原反应而产生电能和储存化学能的电极材料。31.2电池的分类4电池可充电电池锂电池一次性电池碳性电池和碱性电池铅酸电池镍氢电池锂离子电池镍镉电池液态锂离子电池聚合物锂离子电池锂铁电池锂锰电池锂亚电池1.3锂离子电池的定义锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。正极采用含锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2、LiXMnO2、LiFePO4和三元复合材料LiCoxNiyMnzO2。负极采用层间化合物石墨C。充电时，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，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂状态。5钴酸锂锰酸锂三元材料磷酸铁锂石墨美国国家航空航天局(NASA)是最早从事锂原电池研究的机构，锂原电池在1970年初作为一次锂电池便实现了商品化。正极：二氧化锰或氟化碳负极：金属锂但如果将其用于充电电池，经过多次充放电后，负极表面会产生纤维状的锂枝晶，极易刺穿隔膜导致电池短路，会产生严重的安全问题。61.4锂离子电池的发展1990年日本的索尼(Sony)公司率先研制成功锂离子电池，其以嵌锂的过渡金属氧化物为正极活性物质，能让锂离子自由嵌入和脱嵌的石墨作为负极活性物质，一举解决了困扰业界多年的锂离子电池循环和安全问题。1991年，液态锂离子蓄电池实现商品化，1999年，聚合物锂离子电池实现商品化。72.1正极构造8锂离子电池正极集流体（铝箔）粘合剂如：PVDF导电剂如：C嵌锂氧化物如:LiCoO2二.锂离子电池的原理2.2负极构造9锂离子电池负极粘结剂如：SBR增稠剂如：CMC导电剂石墨集流体（铜箔）2.3锂离子电池正负极反应机理原子是用化学方法不能分开的最小的构成物质的基本单位，由原子核和电子构成。原子核内有中子和质子，质子带正电，电子带负电，中子不带电，因质子与电子的数目一样多，所以原子为中性。下图为锂原子结构：10氧化（失e）还原（得e）原子锂锂离子中子质子电子离子：分为正离子或负离子，由失去或得到电子的原子或原子团构成，如Li+，SO42-氧化反应：（如上图）失去电子为氧化反应；还原反应：（如上图）得到电子为还原反应。再看锂原子的电子分布（1S22S1），2S1层是半充满，使该轨道中的电子极易失去而发生氧化反应，所以金属锂的化学性质非常活泼，在自然界中不能以单质存在。同时，锂失去/得到电子的过程中，有电子的转移同时伴随着能量的转移。11充电过程：一个电源给电池充电，此时正极上的电子e通过外部电路跑到负极上，锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。电池放电时发生上述反应的逆反应12放电过程:放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻(U=I*R)，恒阻放电的实质是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。13阳极又名负极阴极又名正极放电充电14氧锂金属石墨正极负极放电充电3.1圆柱形锂离子电池结构图15三圆柱型锂离子电池的生产工艺流程顶盖安全阀正极极耳隔膜负极负极极耳正极绝缘垫外壳绝缘垫密封圈密封圈负极壳正极组合盖帽16正极铝极耳白色上面垫电芯蓝色收尾胶纸17白色底垫负极铜极耳焊点铜箔负极石墨层正极负极隔膜正极A面正极B面负极A面正极B面3.2.1锂离子电池正极19正极基体：铝箔（约0.016mm厚)正极物质：LiFePO4+乙炔黑+PVDF正极集流体(正极极耳)：铝带（约0.1mm厚）高温胶带(约0.05mm厚)电池放电时从外电路获得电子的电极，此时电极发生还原反应。通常是电位高的电极。锂离子电池正极一般为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或三元镍钴锰酸锂电极。3.2锂离子电池的主要组成部分3.2.2锂离子电池负极20负极基体：铜箔（约0.010mm厚)负极物质：石墨+乙炔黑+CMC+SBR负极集流体(负极极耳)：镍带（约0.1mm厚）电池放电时向外电路输送电子的电极，此时电极发生氧化反应。通常是电位低的电极，锂离子电池一般为石墨电极。高温胶带(约0.05mm厚)3.2.3锂离子电池隔膜21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0.020～0.025mm隔膜(separationfilm)——放置于正负两极之间，作为隔离电极的装置，以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路。隔膜能让离子通过，但不能让电子通过。隔膜要求：①离子透过度大②机械强度适当③本身为绝缘体④不与电解液及正负电极发生反应3.2.4锂离子电池电解液1.性质：无色透明液体，具有较强吸湿性。2.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）。3.规格：溶剂组成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6浓度1mol/L4.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/cm2223正极配料来料检验负极配料正极涂布及辊压负极涂布及辊压正极制片负极制片隔膜卷绕入壳烘烤短路检验注液点焊盖帽封口化成分容外包装出厂出厂检验负极点底滚槽烘烤3.3锂离子电池的生产工艺流程简图3.4锂离子电池生产用的主要设备1.真空行星搅拌机用途：将各种电池材料均匀的搅拌成浆状。242.电极涂布机：用途：搅拌后的浆料均匀涂覆在金属箔片上。涂布的极片厚度精确到3微米以下。253.辊压机用途：涂布后的极片需进行辊压，提高电池的能量密度。264.自动分条机275.全自动超声焊接贴胶机286.卷绕机：将制造好的极片卷绕成电池29半自动卷绕机全自动卷绕机卷芯7.真空干燥箱全自动真空烤箱308.手套箱：在低湿度环境下，将电解液注入钢壳电池中，保证电解液充分浸润卷芯319.注液机：保证将电解液高精度的注入钢壳中32自动转盘真空注液机10.化成分容设备：化成为将做好的电池充电激活，产生电压，而分容为测试电池的容量并分档。334.1圆柱锂离子电池的命名IEC61960规定，圆柱形和方形电池的规则如下：圆柱形电池，3个字母后连5个数字。3个字母，I表示有内置的锂离子，L表示锂金属或锂合金电极。第二个字母表示正极材料，C表示钴，N表示镍，M表示锰，V表示钒。第三个字母为R表示圆柱形。5个数字，前2个数字表示直径，后3个数字表示高度，单位都为mm。如：ICR18650就是直径为18mm，高度为65mm的通用的18650圆柱形电池。34四锂离子电池的特性4.2方形锂离子电池的命名方形电池，3个字母后跟6个数字，3个字母，前两个字母的意义和圆柱形一样，后一个字母为P表示为方形。6个数字，前2个数字表示厚度，中间2个表示宽度，后面2个表示高度(长度)，单位为mm。ICP053353就是厚度为5mm，宽度为33mm，高度(长度)为53mm的方形电池。3536电池类型锂离子电池镍镉电池镍氢电池铅酸电池工作电压3.63.21.21.22.0质量比能量180-200100-11040-4560-6525-30体积比能量450-480280-300150-180300-35065-80充电方法恒流恒压恒流恒压恒流恒流恒流充电终点控制恒流限压恒流限压恒流限时恒流限时限流稳压工作温度-20~60℃-20~60℃-20~60℃-20~60℃-40~70℃循环次数/80%6001200400400300自放电/月/室温3%3%20%15%25%优点无记忆效应，高电压，高比能量，自放电小，无污染，充放电效率高达100%成本低环保，过充要求较低成本低，过充要求低缺点需要保护板保护，成本相对较高比能量低，记忆效应，镉污染，自放电大质量比能量低，成本上升，自放电大比能量低，铅污染，自放电大4.3锂离子电池和其它二次电池性能比较4.4锂离子电池的基本电性能参数1.开路电压：是指电池没有负荷时正、负极两端之间的电压。一般情况下，Li-ion电池充满电后开路电压为4.15—4.2V左右。通过对电池开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态。工作电压又称闭路电压，是指电池有负荷时正、负极两端的电压。因电池在放电工作状态下，当电流流过电池内部时，需克服电池的内部结构所造成的阻力，故工作电压总是低于开路电压。2.电池容量：它表示在一定条件下（放电率、温度、终止电压等），电池能放出的电量，即电池的容量，常用mAh表示。3.放电终止电压：电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为放电终止电压。如正极为钴酸锂，锰酸锂和三元材料或其混合物时，放电终止电压为3.0V，正极为磷酸铁锂时，放电终止电压为2.0V。4.充电终止电压：电压上升到不宜再继续充电的最高工作电压称为充电终止电压。如正极为钴酸锂，锰酸锂和三元材料或其混合物时，充电终止电压为4.2V，正极为磷酸铁锂时，充电终止电压为3.65V。5.充放电倍率（Charge-Rate/Discharge-Rate）C：用来表示电池充放电时电流大小的比率，即倍率。如1500mAh的电池，0.2C表示用300mA的电流充放电（1500mAh的0.2倍率），1C表示用1500mA的电流充放电（1500mAh的1倍率）。386.内阻：电池正、负极两端之间的电阻叫内阻。由欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池的内阻越小，电池的性能越好。电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响，是衡量电池性能的一个重要参数。注：一般以半电态内阻为标准。测量电池的内阻需用专用内阻测试仪。7.自放电率：又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。主要受电池的制造工艺、材料、储存条件等因素的影响，是衡量电池性能的重要参数。注：在GB规定Li-ion满电后在20±2℃条件下开路搁置28天，可允许电池有15%的容量损失。8.循环寿命：电池在一定的条件下进行全充全放电循环，初始容量记为100%，当连续三次的放电容量降到初始容量的80%时，所经历的循环次数为电池的循环寿命。3.7V系列的锂离子电池的循环次数在500次以上。3.2V系列的锂离子电池的循环次数在1000次以上。五锂离子电池的应用5.1便携式电子产品40MP3/MP4/MP5产品简介：便携式音乐播放器、视频播放器等笔记本产品简介：手提电脑、掌上电脑、一体式平板电脑等41手机产品简介：手机等便携式设备数码相机产品简介：便携式数码相机、单反相机、卡式数码相机等产品425.2电动交通工具43电动车产品简介：电动自行车、电动摩托、电动助力车、电动汽车等代步动力型产品电动大巴产品简介：新型混合动力大巴车以及其它利用混合动力的各种车型，纯电动大巴44汽车产品简介：轿车、小客车、商务车、面包车、吉普车、跑车等汽车型号，包括纯电动型和混合动力型5.3电动玩具及工具45电动玩具产品简介：主要为电力驱动类飞机、船舶、车辆等模型及各种公仔等46风能、太阳能储能电源产品简介：各类太阳能电池，风能储能电池等电动工具产品简介：各类电动工具，如：电钻，碾磨器，电动螺母，电动熨斗等手电筒产品简介：各类充能类手电筒，强光灯，照明灯等等