拆裝動力電池（谷風材料）

1、學習領(lǐng)域3 動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與檢修學習情境1 拆裝動力電池,學習目標】 】 1.了解動力電池的作用、類型與特點； 2.掌握鋰離子電池是如何工作的； 3.掌握磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的結(jié)構(gòu)組成； 4.掌握拆裝動力電池和更換內(nèi)部組件的操作方法和注意事項； 5.拓展學習TESLA的拆解,任務(wù)1 客戶委托:拆裝動力電池 【情境描述】 4S店技術(shù)主管在經(jīng)過各項檢測之后，判斷張先生的EV200汽車是動力電池故障，確定需要對動力電池進行解體，此時需要你作為維修人員協(xié)助技術(shù)主管按照規(guī)范程序，從車上拆卸動力電池，技術(shù)主管完成維修后，需要你對動力電池進行安裝，并確認其工作狀態(tài)正常,電能都取決于純電動汽車的 動

2、力電池系統(tǒng),動力電池系統(tǒng)的作用,提示： 車輛行駛過程中，隨著電量的消耗， SOC 表上指針指示的數(shù)值會逐漸減小。當 SOC 減小到 以下時， SOC 表上的電量不足指示燈會點亮 ，提示 用戶盡快對 車輛進行充電,30,動力電池系統(tǒng)的類型及優(yōu)缺點,動力電池系統(tǒng)的類型及優(yōu)缺點,目前常用的五種動力電池,https:/,先了解幾個重要的概念 比能量和比功率 比能量（能量密度）是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能 ，單位 Wh/kg,比能量高的動力電池就像龜兔賽跑里的烏龜，耐力好，可以長時間工作，續(xù)駛里程長,比功率（功率密度）是描述電池在瞬間能放出能量的能力，單位 W/kg,比功率高的動力電池就像百米賽跑里的

3、博爾特，速度快，可以提供很高的瞬間電流，以保證汽車的加速性能,動力電池系統(tǒng)的類型及優(yōu)缺點,Tesla Roadster 使用 18650 型鈷酸鋰電池,鋰離子電池的基本電性能參數(shù),1. 開路電壓：是指電池沒有負荷時正、負極兩端之間的電壓。一般情況下，Li-ion電池充滿電后開路電壓為4.154.2V左右。通過對電池開路電壓的檢測，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。 工作電壓又稱閉路電壓，是指電池有負荷時正、負極兩端的電壓。因電池在放電工作狀態(tài)下，當電流流過電池內(nèi)部時，需克服電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所造成的阻力，故工作電壓總是低于開路電壓,2. 電池容量：它表示在一定條件下（放電率、溫度、終止電壓等），電池能放出的

4、電量，即電池的容量，常用mAh表示,3. 放電終止電壓：電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為放電終止電壓。如正極為鈷酸鋰，錳酸鋰和三元材料或其混合物時，放電終止電壓為3.0V，正極為磷酸鐵鋰時，放電終止電壓為2.0V,4. 充電終止電壓：電壓上升到不宜再繼續(xù)充電的最高工作電壓稱為充電終止電壓。如正極為鈷酸鋰，錳酸鋰和三元材料或其混合物時，充電終止電壓為4.2V，正極為磷酸鐵鋰時，充電終止電壓為3.65V,5. 充放電倍率（Charge-Rate/Discharge-Rate） C：用來表示電池充放電時電流大小的比率，即倍率。 如1500mAh的電池，0.2C表示用300mA的電流充放電（

5、1500mAh的0.2倍率），1C表示用1500mA的電流充放電（1500mAh的1倍率,6. 內(nèi)阻：電池正、負極兩端之間的電阻叫內(nèi)阻。由歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池的內(nèi)阻越小，電池的性能越好。電池內(nèi)阻值大，會導致電池放電工作電壓降低，放電時間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響，是衡量電池性能的一個重要參數(shù)。注：一般以半電態(tài)內(nèi)阻為標準。測量電池的內(nèi)阻需用專用內(nèi)阻測試儀,7. 自放電率：又稱荷電保持能力，是指電池在開路狀態(tài)下，電池所儲存的電量在一定條件下的保持能力。主要受電池的制造工藝、材料、儲存條件等因素的影響，是衡量電池性能的重要參數(shù)。 注：在GB規(guī)定Li-

6、ion滿電后在202條件下開路擱置28天，可允許電池有15%的容量損失,8. 循環(huán)壽命：電池在一定的條件下進行全充全放電循環(huán)，初始容量記為100%，當連續(xù)三次的放電容量降到初始容量的80%時，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)為電池的循環(huán)壽命。 3.7V系列的鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)在500次以上。 3.2V系列的鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)在1000次以上,循環(huán)壽命：電池容量降低（衰減）到某一規(guī)定值之前，電池能經(jīng)受多少次充電與放電，（充電一次放電一次稱為一個周期或一次循環(huán),充放電循環(huán)”，不等于“充電次數(shù)”，循環(huán)指的是，電池從滿電到用光，這是一個循環(huán)，如果你的電池從滿電狀態(tài)，用了十分之一的電量，然后又充滿了，這是十分之一個

7、循環(huán)，這樣充10次，才基本算一個循環(huán)。同樣，從滿電，用了一半然后充滿，再用到一半再充滿，這也是一個循環(huán)，這時你是充了兩次電。所以，循環(huán)僅僅是取決于“從電池累計放出多少電”，而跟“充電次數(shù)”沒有直接關(guān)系,能量效率和循環(huán)壽命,充放電強度對循環(huán)次數(shù)的影響 工廠標注：每次從0%充放到100%，1C放，0.3C充，500次后容量衰減到80%，這是最嚴苛的測試循環(huán),如果每次電量的循環(huán)都在25%-75%，1C放，0.3C充，2000次后容量衰減到80,如果每次電量的循環(huán)都在50%-100%，1C放，0.3C充，1800次后容量衰減到80,如果每次電量的循環(huán)都在25%-75%，3C放，0.3C充，1600次后

8、容量衰減到80,鋰離子電池正極材料的特性,常見電池分類,一次電池（不可充電電池） 金屬鋰電池：鋰錳電池、鋰亞電池、鋰鐵電池 干電池：鋅錳干電池、堿性鋅錳電池 二次電池（可充電電池） 可充電電池：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋅空氣電池、液態(tài)鋰離子電池、聚合物鋰離子電池 其它電池（只能發(fā)電，不能儲電） 燃料電池：氫氧燃料電池、直接甲醇燃料電池 太陽能電池：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、光敏化學太陽能電池,鋰電池技術(shù)背景,定義： 鋰電池的全稱應(yīng)該叫鋰離子電池（簡稱LIB），在20世紀90年代初索尼公司將鋰電池產(chǎn)業(yè)化。它以碳為負極，以含鋰的化合物作正極；在充放電過程中，沒有金

9、屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池名稱的由來。 2.內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 鋰離子電池由正極、負極、電解液和隔膜等組成。 正極：由含鋰的過渡金屬氧化物組成，常用的材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。 負極：石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中間相碳微粒,電解液：一種有機電解液，大部分是由六氟磷酸鋰（LiPF6）加上有機溶劑配成。（六氟磷酸鋰由五氯化磷和溶解在無水氟化氫中的氟化鋰反應(yīng)結(jié)晶而成） 隔膜：一種特殊的復合膜，它的功能是隔離正負極，阻止電子穿過，同時能夠允許鋰離子通過，從而完成在電化學充放電過程中鋰離子在正負極之間的快速傳輸。目前主要是聚乙烯（PE）或者聚丙烯（PP）微孔膜,鋰離子電池的

10、分類,鋰電池與其他二次電池的對比,鋰電池與其他二次電池的對比,鋰離子電池的工作原理,充電,放電,工作原理： 當外部電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達負極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。當電池放電時，機理與充電是剛好是相反的，以LiFePO4為例，其化學反應(yīng)方程式為,鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池不能過充過放的原因 放電時鋰離子不能完全移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證下次充電時的鋰離子暢通嵌入通道，否則，電池壽命就相當短。 為了保證碳層中放電后留有部分鋰離子，也就是鋰離子電池不能

11、過放電，這就要嚴格限制放電終止最低電壓；同時，根據(jù)鋰離子工作原理最高充電應(yīng)限制不能過充，否則會因正極材料中的Li離子拿走太多時，造成晶型癱塌，而使電池表現(xiàn)出壽命終結(jié)狀態(tài)。由此可見，鋰離子充/放電控制精度要求相當高，既不能過充，也不能過放，否則都將影響電池壽命，這是由鋰離子電池工作機理所決定的,枝晶鋰簡單來說，就是石墨中所嵌入的鋰的含量超過了它所承受的范圍，多余的鋰離子就會和負極中穿梭而來的電子結(jié)合，在負極表面上開始沉積。在給電池充電的過程中，外界給予電池一個電壓，使得正極材料內(nèi)部的鋰離子得以脫出進入電解液介質(zhì)中，同樣電解液中的鋰離子會在外界電壓差的條件下向碳層移動，由于石墨是具有層狀通道的，鋰

12、便會進入通道與碳形成碳鋰化合物，形成LiCx（x=16）這類石墨層間化合物。枝晶鋰是從負極表面向著隔膜的方向生長的，如果鋰金屬不斷地沉積，最終會刺穿隔膜造成電池短路，引發(fā)電池安全問題,影響枝晶鋰的形成因素主要有：負極表面的粗糙程度、鋰離子濃度梯度、電流密度等，此外，SEI膜、電解液的種類、溶質(zhì)濃度、正負極之間有效距離等都對枝晶鋰的形成有一定影響,鋰電池分類,聚合物鋰電池和鋰離子電池主要區(qū)別在電解質(zhì)，鋰離子電池的電解質(zhì)是液態(tài)的，聚合物電池的電解質(zhì)是膠體型、或者固態(tài)聚合物。聚合物鋰電池的反應(yīng)原理和鋰離子電池一樣，一般以軟包的形式，形狀可塑性強；鋰離子電池一般做成圓柱形或者方形。從安全角度來講，聚合

13、物鋰電池比鋰離子電池更安全,鋰離子電池正極材料的分類,鈷酸鋰正極材料 目前用量最大最普遍的鋰離子電池正極材料，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比容量高、綜合性能突出、但是其安全性差、成本非常高，主要用于中小型號電芯，標稱電壓3.7V。 錳酸鋰正極材料 一種成本低、安全性好的正極材料，但是其材料本身并不太穩(wěn)定，容易分解產(chǎn)生氣體，因此多用于和其它材料混合使用，以降低電芯成本，但其循環(huán)壽命衰減較快，容易發(fā)生鼓脹，壽命相對短，主要用于大中型號電芯，動力電池方面，其標稱電壓為3.8V,鋰鎳鈷錳三元正極材料 一種在容量與安全性方面比較均衡的材料，循環(huán)性能好于正常鈷酸鋰，前期由于技術(shù)原因其標稱電壓只有3.5-3.6V，在使用范

14、圍方面有所限制，但到目前，隨著配方的不斷改進和結(jié)構(gòu)完善，電池的標稱電壓已達到3.7V，在容量上已經(jīng)達到或超過鈷酸鋰水平，全球5大電芯品牌SANYO，PANASONIC，SONY，LG，SAMSUNG已推出三元材料的電芯，相當部分的筆記型電池線都用三元材料的電芯替換了之前的鈷酸鋰電芯，SANYO，SAMSUNG柱式電池方面更是全面停產(chǎn)鈷酸鋰電芯轉(zhuǎn)向三元電芯的制造，目前國內(nèi)外小型的高倍率動力電池大部分使用三元正極材料,磷酸鐵鋰正極材料 目前廣受關(guān)注的一種新興鋰離子電池材料，其突出特點是安全性非常好，不會爆炸，循環(huán)性能非常優(yōu)秀可達到2000次，這些特點使其非常適合電動汽車、電動工具等領(lǐng)域。其標稱電壓

15、只有3.2-3.3V，因此其保護線路部分也與常用鋰離子電池有所區(qū)別，但他的缺點也比較明顯，能量密度遠低于鈷酸鋰和三元材料,鋰離子電池正極材料的特性,鋰離子電池主要結(jié)構(gòu)成分,正極材料（鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷酸鋰等及其混合物） 負極材料（人造石墨、改性天然石墨等） 隔膜材料（聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或兩者的復合膜） 電解液（EC、PC、DEC、DMC、EMC等溶劑和六氟磷酸鋰配成的溶液） 正負極端子（正負極耳） 外殼（鋼殼、鋁殼、鋁塑膜,圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖,頂蓋,安全閥,正極極耳,隔膜,負極,負極極耳,正極,絕緣墊,外殼,絕緣墊,密封圈,密封圈,負極殼,正極組合蓋帽,正極鋁極

16、耳,白色上面墊,電芯,藍色收尾膠紙,白色底墊,負極銅極耳,焊點,銅箔,負極石墨層,正極,負極,隔膜,鋰離子電池正極,正極基體：鋁箔（約.016mm厚,正極物質(zhì)：LiFePO4+乙炔黑+PVDF,正極集流體(正極極耳)：鋁帶（約0.1mm厚,高溫膠帶(約0.05mm厚,電池放電時從外電路獲得電子的電極，此時電極發(fā)生還原反應(yīng)。通常是電位高的電極。鋰離子電池正極一般為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰或三元鎳鈷錳酸鋰電極,鋰離子電池負極,負極基體：銅箔（約0.010mm厚,負極物質(zhì)：石墨+乙炔黑+CMC+SBR,負極集流體(負極極耳) ：鎳帶（約0.1mm厚,電池放電時向外電路輸送電子的電極，此時電極發(fā)生氧化

17、反應(yīng)。通常是電位低的電極，鋰離子電池負極一般為石墨電極,高溫膠帶(約0.05mm厚,正極材料磷酸鐵鋰,磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡稱LFP，也叫鋰鐵磷）電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，其工作原理和鋰離子電池是一樣的。 LiFePO4正確的化學式為LiMPO4，（M 可以是任何金屬，如Fe，Co，Mn，Ti等）。 其特色是不含貴重元素，原料價格低且磷、鐵、鋰在地球上的資源含量豐富，供料不會存在很大問題。 除具有鋰電池的共性特點外，還有一些特有的優(yōu)點，比如其工作電壓適中（3.2V），容量大(170mAh/g)，高放電功率，可快速充電且循環(huán)壽命長（高達2000次），在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)

18、定性高,磷酸鐵鋰工作原理圖,宏觀圖,微觀結(jié)構(gòu)圖,LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移,磷酸鐵鋰的特點分析（一）: 優(yōu)點 LiFePO4電池的標稱電壓是3.2 V（穩(wěn)定的放電平臺）、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V ; 比容量大，高效率輸出：標準放電為25C、連續(xù)高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10S）可達20C； 3. 工作溫度范圍寬廣（-20 75 ），高溫時性能良好：外部溫度65時內(nèi)部溫度則高達95，電池放電結(jié)束時溫度可達160，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全、完好； 4. 即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性最好； 5. 極好的循環(huán)壽命，經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%；實驗室制備的磷酸鐵鋰單體電池在進行IC的循環(huán)測試時，循環(huán)壽命高達2000次,磷酸鐵鋰的特點分析（二）: 優(yōu)點 6. 過放電到零伏也無損壞，零電壓存放7天后電池無泄漏，性能良好，容量為100%；存放30天后，無泄漏、性能良好，容量為98%；存放30天后的電池再做3次充放電循環(huán)，容量又恢復到 100%。 7. 可快速充電，自放電少，無記憶效應(yīng)：可大電流2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內(nèi)