二鋰離子電池的基本知識ppt課件

1、llvsun MBA教學(xué)實(shí)習(xí)基地 守合同重信用企業(yè) 國家高新技術(shù)企業(yè) 廣東高科技產(chǎn)業(yè)商會常務(wù)理事單位 綠色產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會理事單位鋰離子電池的基本知識鋰離子電池的基本知識Li-ion是鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來講，以前照相機(jī)里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是鋰金屬，負(fù)極是碳。當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動回正極。

2、回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在Li-ion的充放電過程中，鋰離子處于從正極負(fù)極正極的運(yùn)動狀態(tài)。Li-ion就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運(yùn)動員一樣在搖椅來回奔跑。所以Li-ion又叫搖椅式電池。1. Li-ion的基本概念的基本概念2.1 Li-ion具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1） 單體電池的工作電壓高達(dá)單體電池的工作電壓高達(dá)3.6-3.8V： 2） 比能量大，目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為比能量大，目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為100-115Wh/kg和和240-253Wh/L2倍于倍于Nl-Cd，1.5倍于倍于Ni-MH）,未來隨著

3、技術(shù)未來隨著技術(shù)發(fā)展發(fā)展,比能量可高達(dá)比能量可高達(dá)150Wh/kg和和400 Wh/L 3） 循環(huán)壽命長循環(huán)壽命長,一般均可達(dá)到一般均可達(dá)到500次以上次以上,甚至甚至1000次次.對于小電對于小電流放電的電器流放電的電器,電池的使用期限電池的使用期限 將倍增電器的競爭力將倍增電器的競爭力. 4） 安全性能好安全性能好,無公害無公害,無記憶效應(yīng)無記憶效應(yīng).作為作為Li-ion前身的鋰電池前身的鋰電池,因因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝如燒結(jié)式的汞等對環(huán)境有污染的元素：

4、部分工藝如燒結(jié)式的Ni-Cd電池存在電池存在的一大弊病為的一大弊病為“記憶效應(yīng)記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但，嚴(yán)重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存根本不存在這方面的問題。在這方面的問題。 5） 自放電小自放電小室溫下充滿電的室溫下充滿電的Li-ion儲存儲存1個月后的自放電率為個月后的自放電率為10%左右，大大低左右，大大低于于Ni-Cd鎳鎘的鎳鎘的25-30%，Ni-MH鎳氫的鎳氫的30-35%。2.Li-ion電池的優(yōu)缺點(diǎn)電池的優(yōu)缺點(diǎn)2.2 Li-ion具有以下缺點(diǎn)：具有以下缺點(diǎn)：1） 電池成本較高。主要表現(xiàn)在電池成本較高。主要表現(xiàn)在LiCoO2鈷酸鋰的價格高鈷酸鋰的價格高Co鈷

5、的資源較?。?，電解質(zhì)體系提純困難。鈷的資源較小），電解質(zhì)體系提純困難。2） 不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對其不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，以下，只適合于中小電流的電器使用。只適合于中小電流的電器使用。3） 需要保護(hù)線路控制。需要保護(hù)線路控制。A、 過充保護(hù)：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時過過充保護(hù)：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題；故必須在充電使電解液分解

6、，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恒壓下充電；的恒壓下充電；B、 過放保護(hù)：過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)線過放保護(hù)：過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)線路控制。路控制。2.Li-ion電池的優(yōu)缺點(diǎn)電池的優(yōu)缺點(diǎn)3 鎳鎘，鎳氫，鋰離子充電電池的比較鎳鎘，鎳氫，鋰離子充電電池的比較目前鎳鎘，鎳氫，鋰離子充電電池大量應(yīng)用于各種便攜式用電設(shè)備如筆記本電腦，攝像機(jī)和移動電話等到中，每種充電電池都具自已獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)。鎳鎘和鎳氫電池之間主要差別在于：鎳氫電池能量密度比較高。與相同型號電池對比，鎳氫電池容量是鎳鎘電池的二倍。這意味著在不為用電設(shè)備增加額外重量

7、時，使用鎳氫電池能大大地延長設(shè)備工作時間。鎳氫電池另一優(yōu)點(diǎn)是；A大大減少了處鎘電池中存在的：“記憶效應(yīng)問題，從而使得鎳氫電池可更方便地使用。鎳氫電池比鎳鎘電池更環(huán)保，因為它內(nèi)部沒有有毒重金屬元素。Li-ion也已經(jīng)快速成為便攜設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)電源，Li-ion能提供和鎳氫電池一樣的能量，但在重量方面則可減少大約35%，這對于旬?dāng)z像機(jī)和筆記本電腦之類的用電設(shè)備來說是至關(guān)重要的。Li-ion完全沒有“記憶效應(yīng)和不含有毒物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)也是使它成為標(biāo)準(zhǔn)電源的重要因素。NiCd、NiMH、Li-ion各技術(shù)參數(shù)比較工程鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池電壓1.21.23.6重量比能量5065105-140體積比能量150

8、200300充放電壽命5005001000自放電率(%)25-3030-356-9有無記憶效應(yīng)有無無有無污染有無無二二. lion. lion電池的基本參數(shù)電池的基本參數(shù)2.1 電池的標(biāo)稱電池的標(biāo)稱方形方形Lion電池的方法是已電池的三圍命名電池的方法是已電池的三圍命名 如：如：7548168 厚厚7.5 寬寬48長長168 mm 055152 厚厚5.0 寬寬51長長52 mm 圓形圓形Lion電池方法是電池方法是 直徑直徑+高度高度+0圓形）圓形） 如：如：18650 直徑直徑18mm 高度高度65mm 14430 直徑直徑14mm 高度高度43mm2.2電池的容量電池的容量電池的容量有額

9、定容量和實(shí)際容量之分。電池的額定量是指設(shè)計與制造電電池的容量有額定容量和實(shí)際容量之分。電池的額定量是指設(shè)計與制造電池時規(guī)定或保證電池在一定的放電條件下，應(yīng)該放出最低限度的電量。池時規(guī)定或保證電池在一定的放電條件下，應(yīng)該放出最低限度的電量。Li-ion電池在常溫、恒流電池在常溫、恒流1C恒壓恒壓4.2V控制的充電條件下充電控制的充電條件下充電3h，電池的實(shí)際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實(shí)際電量，電池的實(shí)際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實(shí)際電量，主要受放電倍率和溫度的影響故嚴(yán)格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條主要受放電倍率和溫度的影響故嚴(yán)格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條件）。容量常見單

10、位有：件）。容量常見單位有：mAh、Ah=1000mAh）。）。二二. lion. lion電池的基本參數(shù)電池的基本參數(shù)2.3電池內(nèi)阻電池內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻大，會導(dǎo)致電池放電工作電壓降低，放電化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻大，會導(dǎo)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：一般以充電態(tài)內(nèi)阻為標(biāo)準(zhǔn)。影響。是衡量電池性能的

11、一個重要參數(shù)。注：一般以充電態(tài)內(nèi)阻為標(biāo)準(zhǔn)。測量電池的內(nèi)阻需用專用內(nèi)阻儀測量，而不能用萬用表歐姆檔測量。測量電池的內(nèi)阻需用專用內(nèi)阻儀測量，而不能用萬用表歐姆檔測量。 2.4 開路電壓開路電壓是指電池在非工作狀態(tài)下即電路無電流流過時，電池正負(fù)極之間的電勢是指電池在非工作狀態(tài)下即電路無電流流過時，電池正負(fù)極之間的電勢差。一般情況下，差。一般情況下，Li-ion充滿電后開路電壓為充滿電后開路電壓為4.1-4.2V左右，放電后左右，放電后開壓為開壓為3.0V左右，通過電池的開路電壓，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。左右，通過電池的開路電壓，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。 2.5 工作電壓工作電壓又稱端電壓，是指電池在

12、工作狀態(tài)下即電路中有電流過時電池正負(fù)極之又稱端電壓，是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流過時電池正負(fù)極之間電勢差。在電池放電工作狀態(tài)下，當(dāng)電流流過電池內(nèi)部時，不需克服間電勢差。在電池放電工作狀態(tài)下，當(dāng)電流流過電池內(nèi)部時，不需克服電池的內(nèi)阻所造成阻力，故工作電壓總是低于開路電池，充電時則與之電池的內(nèi)阻所造成阻力，故工作電壓總是低于開路電池，充電時則與之相反。相反。Li-ion的放電工作電壓在的放電工作電壓在3.6V左右。左右。二二. lion. lion電池的基本參數(shù)電池的基本參數(shù) 2.6 放電平臺放電平臺放電平臺是恒壓充到電壓為放電平臺是恒壓充到電壓為4.2V并且充電電流小于并且充電電流小于0.

13、01C時停充電，時停充電，然后擱置然后擱置10分鐘，在任何功率的放電電流下放電至分鐘，在任何功率的放電電流下放電至3.6V時的放電時間。時的放電時間。是衡量電池好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。是衡量電池好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。 2.7 （充放電倍率（充放電倍率/時率時率是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，它在數(shù)據(jù)是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，它在數(shù)據(jù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常以字母值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常以字母C表示。如電池的標(biāo)稱額定表示。如電池的標(biāo)稱額定容量為容量為600mAh為為1C1倍率），倍率），300mAh則為則為0.5C, 6A(600mAh)為為1

14、0C. 以此類推以此類推.時率又稱小時率時率又稱小時率,時指電池以一定的電流放完其額定容量所需要的小時時指電池以一定的電流放完其額定容量所需要的小時數(shù)數(shù).如電池的額定容量為如電池的額定容量為600mAh,以以600mAh的電流放完其額定容量的電流放完其額定容量需需1小時小時,故稱故稱600mAh的電流為的電流為1小時率小時率,以此類推以此類推.二二. lion. lion電池的基本參數(shù)電池的基本參數(shù) 2.8 自放電率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。主要受電池制造工藝、資料、儲存

15、條件等因素影響。條件下的保持能力。主要受電池制造工藝、資料、儲存條件等因素影響。是衡量電池性能的重要參數(shù)。是衡量電池性能的重要參數(shù)。 注：電池注：電池100%充電開路擱置后，一定程度的自放電正?，F(xiàn)象。在充電開路擱置后，一定程度的自放電正常現(xiàn)象。在GB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定LI-ion后在后在202條件下開條件下開路擱置條件下開條件下開路擱置28天。可天?？稍试S電池有容量損失。允許電池有容量損失。2.9 內(nèi)壓內(nèi)壓指電池的內(nèi)部氣壓，是密封電池在充放電過程中產(chǎn)生的氣體所致，主要指電池的內(nèi)部氣壓，是密封電池在充放電過程中產(chǎn)生的氣體所致，主要受電池材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素影響。其產(chǎn)生原因主要是由于受電池

16、材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素影響。其產(chǎn)生原因主要是由于電池內(nèi)部水分及有機(jī)溶液分解產(chǎn)生的氣體于電池內(nèi)聚集所致。電池內(nèi)部水分及有機(jī)溶液分解產(chǎn)生的氣體于電池內(nèi)聚集所致。 高倍率的連續(xù)過充，會導(dǎo)致電池溫度升高、內(nèi)壓增大，嚴(yán)重時對電高倍率的連續(xù)過充，會導(dǎo)致電池溫度升高、內(nèi)壓增大，嚴(yán)重時對電池的性能及外觀產(chǎn)生破壞性影響，如漏液、鼓底，電池內(nèi)阻增大，放電池的性能及外觀產(chǎn)生破壞性影響，如漏液、鼓底，電池內(nèi)阻增大，放電時間及循環(huán)壽命變短等。時間及循環(huán)壽命變短等。 Li-ion任何形式的過以都會導(dǎo)致電池性能受到嚴(yán)重破壞，甚至爆炸。任何形式的過以都會導(dǎo)致電池性能受到嚴(yán)重破壞，甚至爆炸。幫幫Li-ion在充電過程中

17、需采用恒流恒壓充電方式，避免對電池產(chǎn)生過在充電過程中需采用恒流恒壓充電方式，避免對電池產(chǎn)生過充充三鋰離子電池原理及工藝流程三鋰離子電池原理及工藝流程3.1. 構(gòu)造構(gòu)造3.1.1 正極構(gòu)造正極構(gòu)造 LiCoO2(鈷酸鋰鈷酸鋰)+導(dǎo)電劑導(dǎo)電劑(乙炔黑乙炔黑)+粘合劑粘合劑(PVDF)+集流體鋁箔）集流體鋁箔） 正極正極3.1.2 負(fù)極構(gòu)造負(fù)極構(gòu)造 石墨石墨+導(dǎo)電劑導(dǎo)電劑(乙炔黑乙炔黑)+增稠劑增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑粘結(jié)劑(SBR)+ 集流體銅集流體銅箔）箔） 負(fù)極負(fù)極3.1.3 隔膜隔膜一種特殊的復(fù)合膜一種特殊的復(fù)合膜 3.1.4 有機(jī)電解液有機(jī)電解液 常用的為六氟磷酸鋰，四氟磷酸鋰常用的為六氟

18、磷酸鋰，四氟磷酸鋰LiPF6、LiClO4等。等。 3.1.5 電池殼分為鋼殼和鋁殼兩種）電池殼分為鋼殼和鋁殼兩種）3.2 充電過程充電過程如上圖一個電源給電池充電如上圖一個電源給電池充電,此時正極上的電子此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負(fù)極上從通過外部電路跑到負(fù)極上,正鋰離子正鋰離子Li+從正極從正極“跳進(jìn)電解液里，跳進(jìn)電解液里，“爬過隔膜上彎彎曲曲的小洞，爬過隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳到達(dá)負(fù)極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。游泳到達(dá)負(fù)極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。正極上發(fā)生的反應(yīng)為正極上發(fā)生的反應(yīng)為LiCoO2=充電充電=Li1-xCoO2+Xli+Xe(電子電子)負(fù)極上發(fā)生的反

19、應(yīng)為負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為 6C+XLi+Xe=LixC6l鋰離子電池鋰離子電池的構(gòu)造鋰電池電芯保護(hù)板膠殼正極材料負(fù)極材料隔膜紙電解液鈷酸鋰鈷酸鋰 錳酸鋰錳酸鋰三元鋰三元鋰磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰標(biāo)稱電壓3.7V3.7V3.4V 3.2 V充電電壓4.20.05V4.20.05V4.20.05V 3.6500.05V終止電壓D(NORM)2.75 2.75 2.75 2.75 終止電壓D(MIN) 2.52.52.52.0截止電壓(MAX) 4.2 4.2 4.2 4.0(不推薦）容量高低高低平臺 高高低低充放電流大(2C) 大大超大電流(10-20C)儲存性好特差 差好自放電小大大小膨脹系數(shù) 小大大小價

20、格 貴低(1/4) 低 (1/3)貴l正極材料比較工作電壓3.7V，正極材料鈷酸鋰。優(yōu)點(diǎn)：容量高，循環(huán)壽命長,可達(dá)到500次以上,甚至1000次(與DOD有關(guān)),(IEC標(biāo)準(zhǔn) 500次，國標(biāo)300次電池容量85%，輕巧，自放電小,（室溫下充滿電儲存1個月后的自放電率為2%左右）,可快速充放電，（1C充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上）。缺陷：電池成本高，電池使用主要材料的價格高如鈷酸鋰、高純電解銅、高純電解液等材料價格昂貴是錳酸鋰的10倍有時可高達(dá)15-20倍，是三元鋰的1倍，生產(chǎn)過程控制要求很高，管理和設(shè)備運(yùn)行成本高對環(huán)境要求嚴(yán)格，比如溫度，濕度，空氣）。鈷酸鋰的電池不能長期進(jìn)行2

21、C以上大電流充放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，故要求較小的放電電流密度，一般長期放電電流最好應(yīng)控制在2C以下。l鈷酸鋰工作電壓3.7V, 正極材料錳酸鋰,優(yōu)點(diǎn)：材料合成性能好、價格便宜(與鈷酸鋰比價格相差達(dá)10倍以上有時甚至最高達(dá)1520倍，2.6W26W20190620）缺陷：容量低,自放電大，平臺高，循環(huán)壽命差,儲存特性差，同體積尺寸容量僅鈷酸鋰的5060%,電化學(xué)穩(wěn)定性差,一般在30個循環(huán)時容量衰減達(dá)到20%以上,儲存三個月,容量損耗達(dá)到50%,且不可恢復(fù),儲存六個月基本上不能繼續(xù)使用, 儲存二個月以上易鼓脹.由于是在高溫度環(huán)境下儲存特性更差。(使用環(huán)境溫度超過30度,循環(huán)壽命更差）.由

22、于電芯生產(chǎn)出廠前不能作長期高溫儲存老化,所以出廠的電芯一致性差,不能將自放電大的與由于工藝缺陷的產(chǎn)品挑選出來有時甚至可能引起爆炸。目前一些小電芯廠在生產(chǎn)此類電池產(chǎn)品多用于山寨手機(jī)，低端電池品牌在使用。由于小電芯廠的工藝，設(shè)備，管理落后，環(huán)境濕度與凈度沒有保障，生產(chǎn)的品質(zhì)更差。l錳酸鋰l三元鋰工作電壓3.4V優(yōu)點(diǎn):性能穩(wěn)定,安全性好,實(shí)際容量比與鈷酸鋰基本持平價格較貴是鈷酸鋰的50%左右），缺陷：目前三元鋰電池的制造工藝技術(shù)不成熟，工作電壓低，工作電壓明顯低于鈷酸鋰的3.7V，儲存性能差由其是高溫儲存特性與錳酸鋰有點(diǎn)相似，長期儲存不使用容量衰減大，易鼓脹，對于數(shù)碼設(shè)備來說由于經(jīng)常使用到閃光燈，那么其的單次放電電流大，如果3.7V的平臺低，而3.4V平臺好，會表現(xiàn)出來容量絕大部分在低端電壓部分，而數(shù)碼設(shè)備所必須使用的均是必須高于3.3以上的電壓，如果在大電流放電情況下大于1C電壓會下降得更快數(shù)碼相機(jī)使用閃光燈PP1.2A左右，其性能在數(shù)碼產(chǎn)品上根本沒有辦法發(fā)揮出來，所以就會致使其實(shí)際使用容量低，平臺低，放電特性不好。那么為什么市面上用三元鋰作的電池而價格又比鈷酸鋰的還便宜呢，由于其又想改善電芯的電壓與平臺，那么里面基本上均是使用90%錳+10%三元的結(jié)合體。所以其品質(zhì)，安全性與其他的特性又得不到保障，但價格相對低。工作電壓3.2V優(yōu)點(diǎn)：循環(huán)壽命可達(dá)到2