聚合物鋰離子電池

1、電 池版權(quán)所有:何 剛電電 池池電池是何時發(fā)明的最好的電池是什么完美的鋰離子電池?電池的結(jié)構(gòu)電池的保護(hù)回路對鎳基電池充電對鋰離子電池充電在高低溫環(huán)境充電在高低溫環(huán)境放電放電方式電池的內(nèi)阻聰明電電池的存儲和使用電池的回收電池可供電能力的秘密不可恢復(fù)的電池問題記憶效應(yīng): 傳說?事實(shí)?怎樣延長鋰離子電池的壽命電池的循環(huán)為數(shù)字移動尋找最好的電池電電 池池 電池是何時發(fā)明的q 伏特q 干電池q 充電電池電電 池池 電池是何時發(fā)明的電池的發(fā)明歷史1600Gilbert(英國)電化學(xué)體系的建立1791Galvani(意大利)動物電極的發(fā)現(xiàn)18001802182018331836185918881899Vol

2、ta(意大利)Cruickshank(英國)Ampere(法國)Faraday(英國)Daniell(英國)Plante(法國)Gassner(USA)Jungner(瑞典)伏特電池的發(fā)明電極電池的批量生產(chǎn)磁電轉(zhuǎn)換法拉第定律發(fā)表發(fā)明daniell電池發(fā)明鉛酸電池發(fā)明干電池發(fā)明鎳鎘電池1901193219471960s1970s199019921999Edison(USA)Shlecht&Ackermann(德國)Neumann(法國)Union Carbide(USA)Kordesch(加拿大)發(fā)明鎳鐵電池發(fā)明燒結(jié)電極電池成功密封鎳鎘電池發(fā)展了堿性干電池發(fā)展了閥調(diào)節(jié)鉛酸電池鎳氫電池的商

3、業(yè)應(yīng)用可充電堿性電池的商業(yè)應(yīng)用鋰離子聚合物電池的商業(yè)應(yīng)用2002質(zhì)子膜交換燃料電池的小批量生產(chǎn)電電 池池最好的電池是什么q 鎳鎘電池q 鎳氫電池q 鋰離子電池電電 池池最好的電池是什么高容量1000次以上的充放電能力超薄-象卡片一樣鎳氫電池(Ni-MH)鎳金屬氫可充電電池鎳鎘電池(NiCd)鎳鎘可充電電池鉛酸蓄電池(Lead Acid)鋰離子電池(Lithium Ion )鋰離子聚合物電池(Lithium Polymer)可充電堿性電池(Reusable Alkaline)電電 池池最好的電池是什么NiCdNiMHSLALi-IonReusableAlkalineEnergy density

4、(Wh/kg)40-6060-803010080 (initial) Cycle life (capacity decrease from original 100% to 80%)1500 500200-300500-1,000 10 (to 65%) Fast charge time1-1.5 h2-4 h8-16 h3-4 h2-3 h Overcharge tolerancemoderatelowhighvery lowmoderateSelf-discharge per month(room temperature)20% 30%5%10 % 0.3%Cell voltage (no

5、minal)1.2V1.2V2V3.6V1.5VLoad current2C0.51C0.2C1C0.2C Operating temperature-4060-2060-2060-2060060Maintenance requirement (to obtail max. service life)30-60 days60 days3-6 months not req.not req.Typical battery cost (US$, reference only)$50.007.5V$70.007.5V$25.006V$100.007.2V$5.009VCost per cycle (U

6、S$)$0.04$0.14$0.10$0.10-$0.20$0.50 In commercial use since19501990197019911992電電 池池最好的電池是什么電電 池池完美的鋰離子電池?電電 池池完美的鋰離子電池?鎳鎘NiCd鎳氫NiMH1912 G.N. Lewis 金屬鋰電池 研究工作1970 金屬鋰電池(一次性)投入商業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用 可充電的金屬鋰電池研發(fā)失敗1991 索尼公司成功推出非金屬態(tài)的鋰離子可充電電池鋰離子電池的歷史電電 池池完美的鋰離子電池?電電 池池完美的鋰離子電池?鋰離子電池優(yōu)點(diǎn):高能量密度: 鎳鎘電池的三倍,鎳氫電池的兩倍電壓平臺高: 3.6V,

7、鎳基電池為1.2V低維護(hù)性: 沒有記憶效應(yīng),無需定期放電低自放電率: 環(huán)保: 無重金屬 鋰離子電池缺點(diǎn):安全性能問題: 需復(fù)雜的保護(hù)線路放電倍率低: 1C2C易于老化: 存儲的鋰離子電池照樣會容量衰竭價格昂貴: 電電 池池完美的鋰離子電池?聚合物鋰離子電池1970 固體的聚合物電解質(zhì)-導(dǎo)電性差,內(nèi)阻高, 無法提供瞬間的大電流NOW 在固體聚合物電解質(zhì)中加入凝膠狀電解質(zhì)典型液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池的雜合 聚合物的研發(fā)速度不夠快應(yīng)有優(yōu)點(diǎn):高容量 高安全性能(無需保護(hù)線路) 電電 池池完美的鋰離子電池?聚合物鋰離子電池優(yōu)點(diǎn):超薄 信用卡可變形 可隨意設(shè)計外形重量更輕 無需金屬殼 安全性能 改

8、善 耐過充,不漏液 聚合物鋰離子電池缺點(diǎn):低能量密度 相對于液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)昂貴沒有標(biāo)準(zhǔn)外形電電 池池電池的結(jié)構(gòu)電電 池池電池的結(jié)構(gòu)圓柱型電池結(jié)構(gòu)電電 池池電池的結(jié)構(gòu)方形電池結(jié)構(gòu)電電 池池電池的結(jié)構(gòu)紐扣型電池結(jié)構(gòu)電電 池池電池的結(jié)構(gòu)聚合物電池結(jié)構(gòu)電電 池池電池的保護(hù)回路電電 池池電池的保護(hù)回路鎳氫電池的保護(hù)PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻過流溫度過高PTC電電 池池電池的保護(hù)回路PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻polyswitch聚合物自復(fù)保險絲(polymer resettable fuse) 聚合物自復(fù)保險絲由聚合物基體及使其導(dǎo)電的碳黑粒子組成。由于聚合物自復(fù)保險絲為導(dǎo)體，其上會有電流通過。當(dāng)有過電流通

9、過聚合物自復(fù)保險絲時，產(chǎn)生的熱量（為I2R）將使其膨脹。從而碳黑粒子將分開、聚合物自復(fù)保險絲的電阻將上升。這將促使聚合物自復(fù)保險絲更快的產(chǎn)生熱、膨脹得更大，進(jìn)一步使電阻升高。當(dāng)溫度達(dá)到125C時，電阻變化顯著，從而使電流明顯減小。此時流過聚合物自復(fù)保險絲的小電流足以使其保持在這個溫度和處于高阻狀態(tài)。當(dāng)故障清除后，聚合物自復(fù)保險絲收縮至原來的形狀重新將碳黑粒子聯(lián)結(jié)起來，從而降低電阻至具有規(guī)定的保持電流這個水平。上述過程可循環(huán)多次.電電 池池電池的保護(hù)回路電阻電阻T溫度溫度 25 125 22550毫歐100K歐姆電電 池池電池的保護(hù)回路鋰離子電池的保護(hù)Q1CONTROL ICB +B -P -P

10、 + Block DiagramB- B+Q1 ICP- P+電電 池池電池的保護(hù)回路鋰離子電池的保護(hù)過充(overcharge)4.25V35V過放 (overdischarge)2.3V2.5V過流 (overcurrent)5A短路 (shortcircuit)/溫度保護(hù)(PTC,Fuse)電池標(biāo)識標(biāo)識電阻,標(biāo)識碼電量計量庫侖計實(shí)時時鐘RTS 電電 池池電池的保護(hù)回路Q1CONTROL ICB +B -P -P +VbatVchg過充:VchgVoc(4.35V)Q1切斷過 充電電 池池電池的保護(hù)回路Q1CONTROL ICB +B -P -P +VbatVload過放:VloadVod

11、(2.5V)Q1切斷過 放電電 池池電池的保護(hù)回路Q1CONTROL ICB +B -P -P +Vbat短路:VP+VP-=0VQ1切斷短 路短路保護(hù)可自恢復(fù),短路故障移除后Q1自動導(dǎo)通短路保護(hù)不可自恢復(fù),需充電來觸發(fā)Q1導(dǎo)通電電 池池電池的保護(hù)回路Q1CONTROL ICB +B -P -P +IDNTC電池輸出的其它管腳ID:通常是一個常規(guī)電阻,固定阻值,用來標(biāo)識電池的類型或容量NTC:負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,電阻隨溫度變化,用來反應(yīng)電池的溫度電電 池池電池的保護(hù)回路P -NTCID上拉電阻(10K)3V電池手機(jī)接口電路CPU I/OVidID原理ID原理:電阻轉(zhuǎn)電壓A/D轉(zhuǎn)換根據(jù)不同電壓值

12、識別電池的類型10K:NiMH75K:厚電150K:4.2V Li-Ion47K:薄電電電 池池電池的保護(hù)回路P -NTCID上拉電阻(10K)3V電池手機(jī)接口電路CPU I/OVntcNTC原理NTC原理:電阻轉(zhuǎn)電壓A/D轉(zhuǎn)換根據(jù)不同電壓值識別電池的溫度NTC電阻值隨電池的溫度變化電電 池池電池的保護(hù)回路NTC原理NTC電阻參數(shù):1.R25(室溫電阻值),即標(biāo)稱電阻2.K(溫度系數(shù)),反映熱敏電阻的溫度敏感性Rt=R25*expK*(1/T-1/298); T=273+t; 010203040506070024681012141618202224262830TempRntcK=2750K=3

13、750電電 池池電池的保護(hù)回路電電 池池對鎳基電池充電可以過充,而且只有過充了才能充飽電池限制電流電電 池池對鎳基電池充電慢充半恒流/小電流充電時間:1015h最常規(guī)的充電方式簡單/經(jīng)濟(jì)慢充恒流/中小電流時間控制充電時間:68h較可靠較簡單/較經(jīng)濟(jì)快充恒流/大電流負(fù)壓差控制充電時間:1.2h較常用快充恒流/大電流溫升控制充電時間:1.2h較常用/較可靠較貴充電方式:CC constant current電電 池池對鋰離子電池充電不允許過充嚴(yán)格限制電壓和電流電電 池池對鋰離子電池充電充電方式:CC/CV constant current/constant voltage電電 池池在高低溫環(huán)境充電

14、電電 池池在高低溫環(huán)境充電鎳鎘電池:545是 可以接受的充電范圍1025是最佳的充電范圍低于5,充電倍率必須小于0.1C, 低溫不利于氧氣和氫氣的結(jié)合 高倍率充電將導(dǎo)致電池內(nèi)壓異常增減,結(jié)果導(dǎo)致電池漏氣高溫環(huán)境會嚴(yán)重影響充電接受能力鎳基電池在室溫充電可以得到100%的容量 在45充電 70% 在60充電 45%鎳氫電池:比鎳鎘電池適應(yīng)性差低于10,不能快充低于0,不能慢充鋰離子電池:一些鋰離子電池可以在045 可以用1C進(jìn)行充電一般盡量在5以下用慢充方式進(jìn)行充電.盡量避免在冰點(diǎn)以下進(jìn)行充電,否則可能會導(dǎo)致金屬鋰的析出和電鍍反應(yīng)超快速充電:在前30分鐘以大電流將電池容量充到70%左右在后階段以較

15、小電流將剩余的容量充足超快速充電只能適合專門設(shè)計的允許超快速充電的電池脈沖充電:在充電過程中間隔的進(jìn)行放電有利于電極上氫氣和氧氣的結(jié)合,降低快速充電造成的內(nèi)壓升高現(xiàn)象(鎳基電池)電電 池池在高低溫環(huán)境充電電電 池池放電方式電電 池池放電方式電池的主要作用:將存儲的能力在適當(dāng)?shù)臅r間以可控的方式進(jìn)行釋放將存儲的能力在適當(dāng)?shù)臅r間以可控的方式進(jìn)行釋放C倍率(C-rate)電池的充電和放電是以C倍率進(jìn)行度量的,一般電池的容量是以1C進(jìn)行規(guī)定的1C的定義: 一個1000mAh容量的電池用1C倍率進(jìn)行放電, 可以提供1小時的1000mA電流輸出能力 同樣的電池,用0.5C倍率進(jìn)行放電可以提供2小時的500m

16、A電流輸出能力同樣的電池,用2C倍率進(jìn)行放電可以提供30分鐘的2000mA電流輸出能力(理想情況)因為電池內(nèi)阻的影響,一般無法實(shí)現(xiàn).2.52.72.93.13.33.53.73.94.14.34.50100200300400500600700800900Discharge Capacity (mAh)Cell Voltage (V)2.0C0.5C 0.2C1.0C3.0CICF383562 1CmA=750mACharge : CC-CV 1.0C-4.2V 20mA cut-off at 25Discharge : CC 0.2C/0.5C/1.0C/2.0C 2.75V cut-off

17、at 25ItemCut-off0.2C0.5C1.0C2.0C3.0CDisch.2.75V800795786775755Capacity3.00V797789777760728Ratio vs.2.75V100%99%98%97%94%0.2C 2.75V3.00V100%99%97%95%91%電電 池池放電方式電電 池池放電方式放電深度(Deep of Discharge)鎳基電池的放電終止電壓通常是1.0V/節(jié)鋰離子電池的放電終止電壓通常是3.0V/節(jié)(2.5V/節(jié))放電深度和循環(huán)壽命循環(huán)壽命和放電深度是直接關(guān)聯(lián)的300次-100%放電度(full discharge)600次-50

18、%放電深度(partial discharge)1000次以上-30%放電深度(shallow discharge)電電 池池放電方式50%放電100%放電75%電電 池池放電方式脈沖放電(pulse discharge)數(shù)字移動GSM的最大脈沖放電電流可達(dá)2A脈沖放電(特別是在數(shù)字移動上)會縮短充電電池常規(guī)循環(huán)壽命.電電 池池電池的內(nèi)阻電電 池池電池的內(nèi)阻rR 負(fù)載內(nèi)阻:10毫歐幾百毫歐I:電流輸出電流越大,內(nèi)阻的影響越大,電池的無用損耗也隨之增加電電 池池電池的內(nèi)阻155毫歐毫歐778毫歐毫歐電電 池池電池的內(nèi)阻電電 池池在高低溫環(huán)境放電電電 池池在高低溫環(huán)境放電-2060高溫影響電池的循

19、環(huán)壽命低溫影響電池的放電性能電電 池池在高低溫環(huán)境放電ICF383562 1CmA=750mACharge : CC-CV 1C-4.2V 20mA cut-off at 25Discharge : CC 0.2C 2.75V cut-off at 20/10/0/25/40/60 (after 4h standing)2.52.72.93.13.33.53.73.94.14.34.50100200300400500600700800900Discharge Capacity (mAh)Cell Voltage (V)-20 : 84%-10 : 98%0 : 103%25 : 106%40

20、: 106%60 : 105%* Percentage is an index of nominal capacity (750mAh).0.2C放電ICF383562 1CmA=750mACharge : CC-CV 0.5C-4.2V 20mA cut-off at 25Discharge : CC 1C 3.0V cut-off at 20/10/0/25/40/60 (after 4h standing)2.72.93.13.33.53.73.94.14.34.50100200300400500600700800Discharge Capacity (mAh)Cell Voltage

21、(V)-20 : 4 8%-10 : 7 8%0 : 9 2%25 :1 04%40 :1 04%60 :1 03%* Percentage is an index of nominal capacity (750mAh).電電 池池在高低溫環(huán)境放電1C放電電電 池池在高低溫環(huán)境放電電電 池池記憶效應(yīng): 傳說?事實(shí)?認(rèn)識記憶效應(yīng)電池記憶效應(yīng)是指電池的可逆失效,即電池失效后可重新回復(fù)的性能.記憶效應(yīng)是指電池長時間經(jīng)受特定的工作循環(huán)后,自動保持這一特定的傾向.這個最早定義在鎳鎘電池,鎳鎘的袋式電池不存在記憶效應(yīng),燒結(jié)式電池有記憶效應(yīng).而現(xiàn)在的鎳金屬氫(俗稱鎳氫)電池不受這個記憶效應(yīng)定義的約束.因為

22、現(xiàn)代鎳鎘電池工藝的改進(jìn),上述的記憶效應(yīng)已經(jīng)大幅度的降低,而另外一種現(xiàn)象替換了這個定義,就是鎳基電池的晶格化,通常情況,鎳鎘電池受這兩種效應(yīng)的綜合影響,而鎳氫電池則只受晶格化記憶效應(yīng)的影響,而且影響較鎳鎘電池的為小.電電 池池記憶效應(yīng): 傳說?事實(shí)?電電 池池記憶效應(yīng): 傳說?事實(shí)?晶格化記憶效應(yīng)新的電池,其電極材料的晶粒細(xì)小截面直徑僅1微米.可以得到最大的電極表面積.晶體化形成后,晶粒增大,其晶粒直徑可達(dá)100微米,大大的減小了可用電極面積.而且長大的晶?？赡軙斐勺苑烹娫龃?電極隔膜被晶體戳穿造成微短路.使電池容量降低,性能受損.經(jīng)過修復(fù),晶粒尺寸變小,直徑恢復(fù)到35微米,電池性能明顯恢復(fù).

23、修復(fù)方法:鍛煉(exercise)重整(recondition)電電 池池記憶效應(yīng): 傳說?事實(shí)?在實(shí)際應(yīng)用中,消除記憶效應(yīng)的方法有嚴(yán)格的規(guī)范和一個操作流程.操作不當(dāng)會適得其反.對于鎳鎘電池,正常的維護(hù)是定期深放電:平均每使用一個月(或30次循環(huán))進(jìn)行一次深放電(放電到1.0V/每節(jié), 稱之為exercise),平常使用時盡量用光電池或用到關(guān)機(jī)等手段可以緩解記憶效應(yīng)的形成,但這個不是exercise,因為儀器(如手機(jī))是不會用到1.0V/每節(jié)才關(guān)機(jī)的,必須要專門的設(shè)備或線路來完成這項工作,幸好許多鎳氫電池的充電器都帶有這個功能.對于長期沒有進(jìn)行exercise的鎳鎘電池,會因為記憶效應(yīng)的累計,

24、無法用exercise進(jìn)行容量回復(fù),這時則需要更深的放電(recondition),recondition是一種用很小的電流長時間對電池放電到0.4V每節(jié)的一個過程,需要專業(yè)的設(shè)備進(jìn)行.電電 池池記憶效應(yīng): 傳說?事實(shí)?Exercise常規(guī)負(fù)載電流Recondition很小且受控的電流Exercise和recondition對于鎳鎘電池,正常的維護(hù)是定期深放電:平均每使用一個月(或30次循環(huán))對于鎳氫電池,exercise進(jìn)行的頻率大概每三個月一次即可有效的緩解記憶效應(yīng).因為鎳氫電池的循環(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鎳鎘電池,幾乎用不到recondition這個方法. 每次充電以前對電池放電是沒有必要,而且是有害的,因為電池的使用壽命無謂的減短了.用一個電阻接電池的正負(fù)極進(jìn)行放電是不可取的,電流沒法控制,容易過放到0V,甚至導(dǎo)致串聯(lián)電池組的電池極性反轉(zhuǎn).電電 池池記憶效應(yīng): 傳說?事實(shí)?電電 池池記憶效應(yīng): 傳說?事實(shí)?鋰離子電池鋰離子電池沒有記憶效應(yīng)沒有記憶效應(yīng)鋰離子電池鋰離子電池?zé)o需專門放電無需專門放電電電 池池電池的循環(huán)電電 池池電池