鋰動力電池簡述

1、鋰動力電池簡述制作人：制作人： 劉志民劉志民日期：日期： 2011.2.14電池定義及分類n定義：1.原電池：將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置2.電解池：在外加電源作用下，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的裝置。n電池的分類： 一次電池 二次電池1.氧化銀鋅電池2.碳性電池3.鋅錳干/堿性電池4.鋰電池等1.鉛酸電池2.鎳鎘/鎳氫電池3.鋰離子電池4.燃料電池等二次電池的種類介紹n從二次電池的發(fā)展與應(yīng)用來講，鋰離子電池將取代傳統(tǒng)的鉛酸電池和鎳氫電池成為新一代電池。n二次電池的種類：a.鉛酸電池 e.太陽能電池（硅型） b.鎳鉻/氫電池 f.金屬空氣電池c.鋰離子電池 （鋁空氣/鋅空氣電池）d.燃料電池二次電池特性比

2、較電池種類 鉛酸電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池工作電壓 2V 1.2V 1.2V 3V3.7V內(nèi)阻 較低 較低 較低 較高重量能量密度40WH/KG 60WH/KG 110WH/KG 160WH/KG 體積能量密度 300WH/L 340WH/L 440WH/L記憶效應(yīng) 有 有 有 無自放電率 3% 25% 20% 小于5%環(huán)境污染 含鉛 含鎳鎘 無污染 無污染使用壽命 200350次 500次 500次 5002000次鋰離子電池的認(rèn)識n鋰離子電池的由來 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。鋰電池的正極材料是碳材或是氧化錳。負(fù)極材料是金屬鋰。按照大家

3、習(xí)慣上的命名規(guī)律，我們稱這種電池為鋰電池。 Li-ion的正極材料是氧化鋰鈷或是LFP等，負(fù)極材料是碳材。電池通過正極產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極碳材中的嵌入與遷出來實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程，所以人們稱之為Li-ion。鋰離子電池的認(rèn)識n鋰離子電池的組成外形：圓柱形、方形、角形等。架構(gòu)：正極、負(fù)極、隔膜、電解液。原理：鋰離子電池實(shí)質(zhì)上是一種鋰離子濃度差電池，在充電過程中Li+從正極經(jīng)過隔膜嵌入負(fù)極（C6），電子則從外電路補(bǔ)償?shù)截?fù)極，負(fù)極電位從而保持平衡，放電時正好相反。鋰離子電池的認(rèn)識nCell Bar Code的識別例如：型號為BAK H18650CB的電池 Bar Code分為兩個部分即Part one

4、：H18650CB VB0A07B 000001 Part two：BAK A13 。Part one組成為：電池型號+電芯批號+電芯順序碼。這里著重解釋一下電芯批號，電芯批號組成為：LLNLNNL（N代表數(shù)字，L代表字母）具體表示如下鋰離子電池的認(rèn)識 LLNLNNL產(chǎn)產(chǎn)品品代代碼碼排排產(chǎn)產(chǎn)年年份份例如：例如：0代表代表2010 1代表代表2011排排產(chǎn)產(chǎn)月月份份例如：例如：A代表代表1月月B代表代表2月月.L代代表表12月月排排產(chǎn)產(chǎn)日日期期例如：例如：07代表代表7日日圓圓柱柱線線別別例如：例如：A代表代表生產(chǎn)線別生產(chǎn)線別A，B代表線別代表線別B鋰離子電池的認(rèn)識Part Two：公司代碼+等

5、級碼例如： BAK + A13Cell Date Code 識別 例如型號為SDI 18650 2.2Ah的電池噴碼除了標(biāo)有型號ICR18650,廠商SDI，容量22F，還標(biāo)有1A42，其中1為Cell的容量代碼，A42為date code，分別為cell生產(chǎn)的年份、月份、周別。鋰離子電池的認(rèn)識n鋰離子電池參數(shù)參數(shù)開路電壓：即電池在非工作狀態(tài)下正、負(fù)極的電勢差。內(nèi)阻：電池在工作時電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。容量容量：分為額定容量和實(shí)際容量，電池的額定容量是指電池在環(huán)境溫度為205條件下，以5h率放電至終止電壓時所應(yīng)提供的電量，用C5表示。鋰離子電池的認(rèn)識 電池的實(shí)際容量是指電池在一定的放電條

6、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)指明充放電條件）。影響電池容量的因素主要有兩個方面：一是活性物質(zhì)的重量；二是活性物質(zhì)的利用率。電池內(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)生原因主要是由于電池內(nèi)部水分及有機(jī)溶劑分解產(chǎn)生的氣體于電池內(nèi)聚集所致。鋰離子電池的認(rèn)識n不同正極材料的鋰離子電池特性比較種類種類 鈷酸鋰鈷酸鋰 鋰鎳鈷錳鋰鎳鈷錳 錳酸鋰錳酸鋰 磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰振實(shí)密度（g/cm3）2.83.02.02.32.22.40.81.4比容量（mAh/g）14014515516510011

7、5130140電壓平臺（v）3.63.63.73.2循環(huán)性能500次500次1000次2000次過度金屬貧乏貧乏豐富十分豐富安全性能差 較好 好 非常好原料成本很高高低廉低廉環(huán)保含鈷含鎳、鈷無毒無毒鋰動力電池簡介n動力電池的正、負(fù)極材料動力電池的正、負(fù)極材料正極材料：A.磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰B.錳酸鋰等C.磷酸亞鐵錳鋰等負(fù)極材料：1.石墨、焦炭2.硅3.鈦酸鋰鋰動力電池簡介n鋰動力電池關(guān)鍵特性日本政府對汽車動力鋰電池的要求如下：l2015年以前I.性能提高到現(xiàn)在的1.5倍II.成本降低到現(xiàn)在的1/7l2030年以前性能提高到現(xiàn)在的7倍成本降低到現(xiàn)在的1/40鋰動力電池簡介n關(guān)鍵性能突破l安全性

8、LiFePO4，改進(jìn)安全閥l能量密度 Si負(fù)極材料、高強(qiáng)度隔 膜，聚合物包裝，提高 1.5倍有可能實(shí)現(xiàn) l使用壽命 目前是2000次，提高1.5倍到3000次有可能實(shí)現(xiàn) 從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)n在電池組裝成PACK時要考慮的參數(shù)有：客戶給出的PACK規(guī)格Cell的開路電壓Cell的容量Cell的內(nèi)阻從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)lCell的開路電壓一致性1.前面已經(jīng)提到過Cell的開路電壓即為電池內(nèi)部無電流通過時電池兩端的電勢差。2.在串聯(lián)電池組中開路電壓的一致性對電池組的安全性有至關(guān)重要的影響，即容易產(chǎn)生過壓充電和欠壓放電的問題。電壓差異越大，安全問題越嚴(yán)重。從PACK角度看鋰動力電

9、池參數(shù)lCell容量的一致性1.這里所說的容量指的是電池的實(shí)際容量。2.在串聯(lián)或者混聯(lián)電池組中容量的不一致也是嚴(yán)重的安全隱患。從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)lCell內(nèi)阻一致性1.Cell內(nèi)阻分為極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻。2.串聯(lián)電池組中Cell內(nèi)阻不一致會引起安全問題，內(nèi)阻差異越大，安全問題越嚴(yán)重。從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)l客戶給定PACK參數(shù)1.客戶給定PACK參數(shù)通常有PACK的尺寸、額定電壓、額定功率、額定容量等，我們會計(jì)算出PACK所需的空間、電芯間隙、最大放電電流、最大脈沖放電電流等從而選取適合的電芯。2.額定電壓是指電池的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓平臺電壓平臺。 額定容量在前面已經(jīng)說過其定義。

10、 從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)n上述參數(shù)的具體含義、 算法及影響因素。電池的開路電壓1.開路電壓含義2.開路電壓算法：用萬用表可以直接量測。3.影響因素：正、負(fù)極材料、容量、溫度電池的容量A.電池容量定義B.實(shí)際容量的算法（RSOC），標(biāo)稱容量的算法。 現(xiàn)在大多用A.H法。當(dāng)然還有開路電壓法、負(fù)載電壓法、內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法等等。 從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)c. .容量的影響因素容量的影響因素a)正、負(fù)極材料特性和制作工藝（活性物質(zhì)的量）b)充放電倍率（放電電流越大，放出電量越?。ヽ)溫度（參考公式：C=C25*1-*(25-T)）d)自放電（自放電來自電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，實(shí)際參數(shù)要根據(jù)供

11、應(yīng)商提供的曲線或者數(shù)據(jù)）e)老化：是指電池容量隨循環(huán)次數(shù)的增加而衰減的現(xiàn)象（這里在估算RSOC時可以將老化特性反映在其中，但是確定其循環(huán)工作次數(shù)是難點(diǎn)）從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)電池的放電平臺、標(biāo)稱電壓A.放電平臺定義：放電平臺是指在電池任何倍率的電流下恒壓充到電壓為4.2V，并且充電電流小于0.01C時停止充電即充滿電后，然后擱置10分鐘，在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時的放電時間。3.6V即為標(biāo)稱電壓。B.電壓平臺的影響因素1.和體系有關(guān)，正負(fù)極的電勢差大，則平臺高；反之則低。從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)2.和電池的內(nèi)阻有關(guān)，內(nèi)阻越大，平臺越低。3.和放電電流的大小有關(guān)，電流越

12、大，平臺越低。4.平臺的長短和放電電流的大小有關(guān)，電流越大，平臺越短。5.和循環(huán)次數(shù)有關(guān)，隨循環(huán)次數(shù)的增多，電池性能下降，平臺電壓下降，長度變短。從PACK角度看鋰動力電池參數(shù)電池的內(nèi)阻l電池內(nèi)阻的定義：電池在充放電過程中電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。l電池內(nèi)阻分類：從測試方法上看，電池內(nèi)阻可以分為交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻。從內(nèi)阻組成上來看分為歐姆阻抗及極化阻抗。從PACK的角度看動力鋰電測試n在電池組成PACK時要做的（安全）測試項(xiàng)目1.充電過壓保護(hù)測試2.放電過流保護(hù)測試3.充電過流保護(hù)測試4.欠壓保護(hù)測試5.過溫保護(hù)測試等從PACK的角度看動力鋰電測試n鋰動力電池所需做的（安全）測試項(xiàng)目1.過

13、充、過放測試2.加熱測試3.高溫荷電保持能力測試4.循環(huán)壽命測試5.針刺6.濫用測試等鋰電池正極極材料n電池正極材料特性分析衡量正極材料安全性主要指標(biāo)1.充電時形成枝晶的難易度鈷酸鋰極易形成、三元材料也易形成，錳酸鋰不會形成。（這與錳酸鋰的尖晶石結(jié)構(gòu)是分不開的，Li+過度脫嵌也只是粒子晶型的改變）2.氧化-還原溫度氧化還原溫度是指材料在氧化還原反應(yīng)放熱的溫度，是衡量材料氧化能力的重要指標(biāo)，溫度越鋰電池正極極材料高，表明其氧化能力越弱。氧化溫度最高的為磷酸鐵鋰（大于400）其次為錳酸鋰（250），三元材料（180）鈷酸鋰（150）。即前者更適合做動力電池的正極材料。正極材料的合成方法 高溫固相法

14、、共沉淀法、噴霧干燥法、復(fù)合碳酸鹽法等等。 三種動力電池正極材料的合成中，釩酸鋰的制作工藝條件最復(fù)雜，工業(yè)化難度較大。鋰電池正極極材料n電極材料市場報(bào)價(jià)正極材料：長江有色金屬鈷 3031萬/噸鈷酸鋰 23.524.5萬/噸 錳酸鋰 3.84.8萬/噸三元材料 16.5萬17.5萬/噸 磷酸鐵鋰 11萬16萬/噸不等。負(fù)極材料：低端人造石墨 4K4萬/噸，中高端人造石墨 612萬/噸，低端天然石墨 24萬/噸 ，中高端天然石墨 610萬/噸 鋰電池的制作工藝配料極片制作1.正極極片：活性物質(zhì)+導(dǎo)電劑+PVDF+鋁基片2.負(fù)極極片：石墨干粉+去離子水+CMC膠液+SBR膠+PVDF+銅片裝配（隔膜

15、為聚合物）注液（電解液為無水有機(jī)體，具有一定的還原性）預(yù)充+化成+分容鋰電池的制作工藝n分容定義：電池在制造過程中，因工藝原因使得電池的實(shí)際容量不可能完全一致，通過一定的充放電制度檢測，并將電池按容量分類的過程稱為分容。n化成定義：組裝后的電池，被給予一定的電流，使得電池正負(fù)極活性物質(zhì)被激發(fā)，最后使電池具有放電能力的電化學(xué)過程稱為化成必要性：電池只有經(jīng)過化成后才能夠用來作為電源使用，所以需要化成。（是對活性物質(zhì)的激活）鋰電池的制作工藝nSEI膜簡介定義：在液態(tài)鋰離子電池首次充放電過程中,電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng),形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層,具有固體

16、電解質(zhì)的特征,是電子絕緣體卻是Li+ 的優(yōu)良導(dǎo)體,Li+ 可以經(jīng)過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質(zhì)界面膜”( solid electrolyte interface) ,簡稱SEI 膜。 鋰電池的制作工藝SEI膜的成膜機(jī)理： 鋰離子電池一般用碳材料(主要是石墨) 作負(fù)極,在SEI 膜形成的過程中,負(fù)極表面所發(fā)生的反應(yīng)與金屬鋰負(fù)極相類似。Aurbach等認(rèn)為可能的反應(yīng)是由EC、DMC、痕量水分及HF等與Li+反應(yīng)形成(CH2OCO2Li)2 、LiCH2CH2OCO2Li 、CH3OCO2Li 、LiOH、Li2CO3 、LiF等覆蓋在負(fù)極表面構(gòu)成SEI膜,同時產(chǎn)生乙烯

17、、氫氣、一氧化碳等氣體。 制作方法：干法、濕法鋰電池的制作工藝SEI膜的影響因素： SEI 膜作為電極材料與電解液在電池充放電過程中的反應(yīng)產(chǎn)物 ,它的組成、結(jié)構(gòu)、致密性與穩(wěn)定性主要是由電極和電解液的性質(zhì)決定 ,同時也受到溫度、循環(huán)次數(shù)以及充放電電流密度的影響。SEI膜的作用： 由于鋰離子的嵌入過程必然經(jīng)由覆蓋在碳負(fù)極上的SEI膜,因此SEI 膜的特性決定了嵌脫鋰以及碳負(fù)極電解液界面穩(wěn)定的動力學(xué),也就決定了整個電池的性能,如循環(huán)壽命、自放電、額定速率以及電池的低溫性能等。 鋰電池的制作工藝SEI膜的具體成份鋰電池的制作工藝n電池隔膜組成：PE與PP的復(fù)合膜作用：電池隔膜最主要的功能是電子絕緣離子

18、導(dǎo)通，即阻止正負(fù)電極在電池中的直接的電子接觸，但是離子可以自由通過。 參數(shù)：厚度、透氣率、浸潤度、化學(xué)穩(wěn)定性、孔徑、穿刺強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、熱關(guān)閉溫度、孔隙率。鋰電池的制作工藝市場情況目前隔膜供應(yīng)商有：美國的Celgard（三層），Entek（單層），荷蘭的DSM（單層），日本的Asahi、Tonen（單層），UBE（三層）。此外國內(nèi)做的比較好的有杉杉股份、BYD，但是比起國外還是有一定差距。中國鋰電池發(fā)展現(xiàn)狀n鋰電池的市場格局（09）在較長一段時間里，世界鋰離子電池市場基本是日本一家獨(dú)霸的局面。最近幾年中國和韓國奮起直追，目前世界鋰離子電池市場已經(jīng)呈現(xiàn)出中、日、韓三足鼎立的格局。見圖表一：中國鋰電池發(fā)展現(xiàn)狀圖表一：2009 年世界鋰離子電池市場地區(qū)格局中國鋰電池發(fā)展現(xiàn)狀n全球鋰離子電池市場生產(chǎn)廠商格局（09）根據(jù)2009 年的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)估，全球鋰電池芯銷售量約達(dá)30.5 億顆，主要由日本的Sony、Sanyo、Panansonic、Maxell、SGS、NEC 及ATL（被TDK 購併），韓國的SDI（三星）及LGC（樂金化學(xué)），大陸的BYD（比亞迪）、BAK（比