锂电基础知识培训教材

1Surpassingcustomer’sexpectationAmperexTechnologyLimited化学电池与锂电池PreparedBy:HTXiaCheckedBy:RollionsYuanApprovedBy:Dr.XuDate:Jan.20062化学电池与锂电池™化学电池原理™锂离子电池原理™ATL聚合物锂离子电池工艺™液态锂离子与聚合物锂离子电池™锂离子电池的容量设计™锂离子电池的性能测试3化学电池原理„电的形成„电流---电荷的定向移动形成电流„电压---电势差(类似水的流动)„化学电池„化学能转化为电能的装置„化学反应(Example)„2H2+O22H2O„电化学反应=化学电池„第一步:2H24H++4e-„第二步:O2+4H++4e-2H2O4化学电池原理„化学反应=化学电池---受控化学反应„第一步:2H24H++4e-„第二步:O2+4H++4e-2H2O„电荷为什么会移动?„化学势差„水会自动从高处往低处流5化学电池原理„化学电池六要素„负极(H2)„正极(O2)„电解液(H2SO4水溶液)„隔离膜„电极引线„外包装e－H＋6化学电池原理„电池的能量„电池能量=化学势差*电量„化学势差---决定于正、负极材料的化学势„电量---决定于正、负极能移动的电子总量7化学电池原理„化学势ElectrodeElectrodeReactionE0（V）H+|H2(g,Pt)2H++2e-⇔H2(g)0Li+|LiLi++e-⇔Li-3.045Zn2+|ZnZn2++2e-⇔Zn-0.763Cd2+|CdCd2++2e-⇔Cd-0.4028Ni2+|NiNi2++2e-⇔Ni-0.23Hg22+|HgHg22++2e-⇔2Hg0.851F-|F2(g,Pt)F2(g)+2e-⇔2F-2.866H+|H2O|O2(Pt)O2+4H+⇔2H2O1.229Pb2+|PbPb2++2e-⇔Pb-0.1264Mn2+|MnMn2++2e-⇔Mn-1.1858化学电池原理电池能量=化学势差*电量9化学电池原理„电池分类„一次电池„干电池„锌—锰干电池、碱性锌—锰电池„贮备电池„锌—银电池„二次电池„可充电电池„铅酸电池、镍镉电池、金属氢化物-镍电池、液态锂离子电池、聚合物锂离子电池„燃料电池„氢—氧燃料电池……10化学电池原理„几种二次电池的比较Ni-CdNi-MHLi-ionLi-ionpolymer能量密度(Wh/kg)80120160180循环寿命(times)1500500500500额定电压(V)1.251.253.73.7自放电率(/month)20%30%10%10%脉冲放电能力HighmoderateModerateModerate环境友好性NoYesYesYes记忆效应YesSmallNoNo安全性(滥用试验)HighHighLowModerate11化学电池与锂电池™化学电池原理™锂离子电池原理™ATL聚合物锂离子电池工艺™液态锂离子与聚合物锂离子电池™锂离子电池的容量设计™锂离子电池的性能测试12锂离子电池原理„为什么不用金属锂做负极„安全问题(特别是循环之后)„一次扣式电池确实可用金属锂做负极„锂离子电池的解决方案„负极---石墨„正极---钴酸锂„此商业化的解决方案仍有安全隐患(过充、高温等)13锂离子电池原理„锂离子电池的解决方案„负极石墨---装锂的口袋„LixC6⇔6C+xLi++xe-„正极钴酸锂---提供锂离子的框架结构„Li1-yCoO2+yLi++ye-⇔LiCoO201501091300525CPerformancePlot2.83.03.23.43.63.84.04.20%20%40%60%80%100%DischargeRate(%)Voltage(V)14„锂离子电池六要素„负极(石墨)„正极(LiCoO2)„电解液(碳酸酯+LiPF6)„隔离膜(PP或PE)„电极引线(镍(铜)、铝)„外包装(软、硬)锂离子电池原理15化学电池与锂电池™化学电池原理™锂离子电池原理™ATL聚合物锂离子电池工艺™液态锂离子与聚合物锂离子电池™锂离子电池的容量设计™锂离子电池的性能测试16MixingCoatingFilmprocessSlittingLaminationCalenderingElectrodepunchingElectrodecuttingBicelllaminationElectrodeweldingElectrodeAssemblyInter-exchangebleBicellweldingJellyRollwindingPackagingActivationFormationCellPackagingATL聚合物锂离子电池工艺„叠片式聚合物软包装方形锂离子电池17GridrollFilmrollSlittingLaminationSlittingElectrodeElectroderollDiecuttingATL聚合物锂离子电池工艺„叠片式聚合物软包装方形锂离子电池18Bi-cellInsertbatterycellFormedpocketPackingfoilStackingWeldingTopSealingRH1.5%DryRoomATL聚合物锂离子电池工艺„叠片式聚合物软包装方形锂离子电池19FormationDegassingTrimingElectricalTestingOQAShipmentATL聚合物锂离子电池工艺„叠片式聚合物软包装方形锂离子电池20ATL聚合物锂离子电池工艺„卷绕式聚合物软包装方形锂离子电池„相比叠片式工艺简化较多„直接涂覆于铜箔、铝箔上，不需要萃取工艺„省去了热复合„阴、阳极及隔离膜各仅一片，提高了装配速度„焊接简单21ATL聚合物锂离子电池工艺„锂离子电池为什么需要化成（或称活化）?„负极石墨上形成SEI－－－负极保护膜„SEI:SolidElectrolyteInterface„锂与电解液的还原反应产物„生成物包括Li2CO3,(CH2OCO2Li)2等，通常还有气体„由于有气体，化成后还要做一次真空封装„就象金属插入浓硫酸的反应（表面形成一层钝化膜后反应就终止22化学电池与锂电池™化学电池原理™锂离子电池原理™ATL聚合物锂离子电池工艺™液态锂离子与聚合物锂离子电池™锂离子电池的容量设计™锂离子电池的性能测试23聚合物锂离子与液态锂离子电池„锂离子电池的分类„按装配工艺„卷绕式„叠片式„按电解液的形态„液态锂离子电池---电解液为液态„聚合物锂离子电池---电解液为胶态„按包装„软包装---铝箔袋（尼龙/铝箔/PP）„硬包装---铝壳、钢壳„按外形„方形---383450等„圆柱形---18650„异形---月牙形等ATL电池之应用„蓝牙耳机„叠片式聚合物软包装异形(方形)锂离子电池„手机„叠片式聚合物软包装方形(异形)锂离子电池„卷绕式聚合物软包装方形锂离子电池„笔记本电脑„卷绕式聚合物软包装方形锂离子电池„18650„电动汽车„叠片式聚合物硬包装方形锂离子电池„圆柱形---1865024聚合物锂离子与液态锂离子电池„工艺比较---叠片与卷绕(聚合物)„从效率、优率、能量密度等来看„叠片适于„很窄（12mm）„很薄（2mm）„很大（5Ah）„异形（月牙形、阶梯形等）„卷绕适于„中等宽度、中等厚度方形电池„1865025聚合物锂离子与液态锂离子电池„聚合物锂离子与液态锂离子电池之比较„没有泄漏问题„可靠性较高(界面好)„安全性好„成本高(主要是工艺复杂)26聚合物锂离子与液态锂离子电池„锂离子电芯的软与硬„硬包装或圆柱形„一定是硬的„软包装(方形或异形)„液态锂离子－－－液态软包装„一定是软的„聚合物锂离子„聚合物预先放入正负极及隔膜内(ATL叠片式)---很硬„聚合物涂于正负极及隔膜之间(ATL卷绕式)---硬„聚合物预先放入电解液内(ATL卷绕式)---软或硬(依赖与聚合物的种类)27化学电池与锂电池™化学电池原理™锂离子电池原理™ATL聚合物锂离子电池工艺™液态锂离子与聚合物锂离子电池™锂离子电池的容量设计™锂离子电池的性能测试28锂离子电池的容量设计„几个物理量的单位„电能=UIt（电压*电流*时间）„J,Wh,(kWh)„电能=UI*t（电压电流*时间）„W*s、W*h„电能=U*It（电压*电流时间）„V*As,V*Ah,V*mAh„电流*时间„mAh---容量„C的定义„700mAh的电池„1C放电---指1小时正好恒流放完电所需电流，即700mA„2C---即1400mA„0.5C---即350mA29锂离子电池的容量设计„负极石墨的克容量„满充到满放时石墨的反应方程„LiC6⇔6C+Li++e-„6个C原子能放出1个电子„6molC原子能放出1mol电子„6molC原子的质量=6*12=72g„1mol电子电量=1.60217733*10-19C*6.0221367*1023=96485.309C=96485.309/3600Ah=26.80174Ah=26802mAh„石墨的克容量=26802mAh/72g=372mAh/g„实际材料容量280~370mAh/g30锂离子电池的容量设计„正极的LiCoO2克容量„满充到满放时LiCoO2的反应方程„Li1-yCoO2+yLi++ye-⇔LiCoO2„如y=1则LiCoO2的克容量=274mAh/g„如y=0.5,LiCoO2的克容量=137mAh/g„实际LiCoO2的克容量≈140mAh/g„y0.5时(电池电压4.2V)LiCoO2晶体结构开始不稳定，循环明显变差；接近0时会和电解液发生剧烈放热化学反应。电池电压4.2V称为被过充。31锂离子电池的容量设计„750mAh电池的容量设计„负极石墨=750/350=2.31g„正极LiCoO2=750/140=5.36g„实际容量„按正极设计„负极过量少许„其它材料按活性物质的量来设计32锂离子电池的容量设计„如何精确知道正、负极材料的容量密度„半电池法测试材料的真实容量„正、负极材料分别与金属锂片组装成电池Halfcellcycleafterformation-0.500.511.522.533.544.50200400600800100012001400Capacity/mAhVoltage/vBatteryCathodeAnode„横轴为锂的电位33化学电池与锂电池™化学电池原理™锂离子电池原理™ATL聚合物锂离子电池工艺™液态锂离子与聚合物锂离子电池™锂离子电池的容量设计™锂离子电池的性能测试34锂离子电池的性能测试„测试方法与标准„UL1642（常用标准）„GB/T-18287-2000（可参阅）„测试项目分类„初始电性能„循环性能„贮存性能„安全性能35锂离子电池的性能测试„充、放电方法（一切测试均需先充电或放电）„满充电---1C电流恒流充至4.2V再4.2V横压充至0.05C截止电流称为1C充电„满放电---1C电流恒流放至3.0V称为1C放电1Cchargecurve3.03.23.43.63.84.04.24.40100200300400500600700800Capacity(mAh)Voltage(V)1Cdischargecurve33.23.43.63.844.24.40100200300400500600700800Capacity(mAh)Voltage(V)36锂离子电池的性能测试„电池的能量密度„383450，容量720mAh，重量13.9g„体积能量密度=0.72*3.7/0.038/0.34/0.5=412Wh/L„重量能量密度=0.72*3.7/0.0139=192Wh/kg37锂离子电池的性能„初始电性能„放电容量„内阻„高低温性能„倍率放电性能„……38锂离子电池的性能„循环性能„室温循环„60°C循环„……RT1CFading(%)vs.Cycle_Index70%75%80%85%90%95%100%105%110%01