鋰電池原理與應(yīng)用 課件

1、鋰 電 池 原 理 及 應(yīng) 用一、鋰電池發(fā)展簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代末,以金屬鋰為負(fù)極，氧化鉬、氧化釩為正極的鋰蓄電池已研發(fā)成功；80年代中后期,以聚氧化乙烯(PEO)等導(dǎo)電聚合物為電解質(zhì)膜的鋰二次電池也研發(fā)成功。但由于安全可靠性及電壓體系等種種因素未能投入商業(yè)市場(chǎng)； 1991年日本索尼(Sony)公司首次推出的以碳材為負(fù)極，以鈷酸鋰材料為正極的二次鋰電池。由于它沒有金屬鋰，稱為鋰離子電池，成功地解決了鋰電池的安全可靠性問題，立即被市場(chǎng)廣泛接受并成為筆記本電腦和手機(jī)等IT產(chǎn)品的電源。 初期的鋰離子電池代表產(chǎn)品為18650圓柱型電池,標(biāo)稱容量為1800mAh；90年代中后期，手機(jī)采用3.6伏系統(tǒng)，并

2、且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小型化。要求減少電池的厚度和體積，出現(xiàn)了方形電池。 電池厚度變化從10mm減薄至5mm?，F(xiàn)在已有3.5mm厚的鋁殼手機(jī)電池問世； 2019年，日本Sony等四家公司幾乎同時(shí)推出用鋁塑薄膜作外殼包裝的聚合物鋰離子電池。當(dāng)時(shí)電池尺寸為305062，容量為550mAh。經(jīng)過幾年的研 究，聚合物鋰離子電池產(chǎn)品其厚度可以從1mm到10mm，容量可以從40mAh到5000mAh；方形聚合物鋰離子電池在2000年開始出現(xiàn)批量生產(chǎn)，初期年產(chǎn)量為1100萬顆，預(yù)計(jì)至2019年的年產(chǎn)量可達(dá)2.3億顆，年均增長(zhǎng)率為79。預(yù)計(jì)液態(tài)鋰離子電池年產(chǎn)量達(dá)5億只。電池尺寸厚度變薄，同時(shí)電池重量比能量也大幅度地提升

3、，從130 wh/kg增加到150wh/kg；現(xiàn)在世界上聚合物鋰離子電池的重量比能量已提升到180 wh/kg左右的水平，比液態(tài)鋰離子電池高出10%以上。 二、鋰離子電池工作原理及其結(jié)構(gòu) 1.工作原理： 鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，Li+ 從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡。放電時(shí)則相反， Li+ 從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)。在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距變化，不破

4、壞晶體結(jié)構(gòu)，在充放電過程中，負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。因此，從充放電反應(yīng)的可逆性看，鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。 2.鋰離子電池結(jié)構(gòu)：正極：預(yù)先鋰化的過渡金屬氧化物，如鈷酸鋰、 錳酸鋰、鎳酸鋰等負(fù)極：具有特殊結(jié)構(gòu)的碳材，如軟碳、硬碳石墨 和石墨化碳纖維等電解液：有機(jī)溶劑和鋰鹽的溶液，例如PC(碳酸 丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、DMC(二甲 基碳酸)、DEC(二乙基碳酸)、1M LiPF6 電導(dǎo)率為6.79 mS/cm，水含量6ppm， HF含量8ppm。隔膜： 多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜包裝材料：鋁塑復(fù)合膜液態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖聚合物鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖不同溫度下放電曲線循環(huán)壽

5、命曲線三、鋰離子電池性能電性能(一)、電壓1.開路電壓：電池與外電路沒有接通時(shí)，即沒有電流流過時(shí)電極之間的電位差，等于正極電位與負(fù)極電位之間的差值。如鋰離子電池的開路電壓為4.1V，鉛酸蓄電池為2.1V。2.工作電壓：又稱放電電壓或負(fù)荷電壓，是指電池對(duì)外輸出電流時(shí)，電池兩極間的電位差。工作電壓總是低于開路電壓。3.終止電壓：電池充放電時(shí)，電壓上升或下降到某數(shù)值，電池不宜再繼續(xù)充電或放電的工作電壓。一般在充電時(shí)，終止電壓為4.2V，放電時(shí)為3 .0V或2 .75V。(二)、容量 電池容量是電池對(duì)用電器輸出的電量。單位為mAh或Ah。容量大小是由正負(fù)極中活性物質(zhì)的數(shù)量多少來決定的。 1.額定容量：

6、在設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量。2.比容量：為了對(duì)不同的電池進(jìn)行比較，引入比容量概念。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積電池所給出的容量，稱為質(zhì)量比容量或體積比容量。3.影響電池容量的因素：a. 電池的放電速度(通常以電流強(qiáng)度mA來表示)：電流越大，輸出的容量減少；注：圖中A區(qū)(陰影部分)為電池對(duì)外輸出的能量；B區(qū)為電池自身損耗的能量。b.電池的放電溫度：溫度降低，輸出容量減少；c.電池的放電終止電壓：是由用電器以及電池反應(yīng)本身的限定來設(shè)定的，例如：充電時(shí)，終止電壓為4.2V，放電時(shí)為3 .0V或2 .75V。d.電池的貯存時(shí)間：電池經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間貯存后，電池的放電

7、容量會(huì)相應(yīng)減少。(三)、內(nèi)阻 電池內(nèi)阻包括歐姆電阻(R)和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)的極化電阻(Rf )。歐姆電阻、極化電阻之和為電池的內(nèi)阻(Ri )。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。隔膜電阻是當(dāng)電流流過電解液時(shí)，隔膜有效微孔中電解液所產(chǎn)生的電阻(RM )。RM=sJ 式中 RM是隔膜電阻； s是溶液比電阻； J 表征隔膜微孔結(jié)構(gòu)的因素等。結(jié)構(gòu)因素包括膜厚、孔率、孔徑、孔的彎曲程度。極化電阻Rf是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻。為比較相同系列不同型號(hào)的化學(xué)電源的內(nèi)阻，引入比內(nèi)阻(Ri )的概念，即單位容量下電池的內(nèi)阻。Ri Ri

8、 /C 式中Ri為比內(nèi)阻，C為電池容量，Ri為電池內(nèi)阻。(四)、能量和比能量 電池在一定條件下對(duì)外作功所能輸出的電能叫做電池的能量，單位一般用wh表示。1.理論能量 電池的放電過程處于平衡狀態(tài)，放電電壓保持電動(dòng)勢(shì)(E)數(shù)值，且活性物質(zhì)利用率為100，在此條件下電池的輸出能量為理論能量(W0)，即可逆電池在恒溫恒壓下所做的最大非膨脹功(W0=C0E)。2.實(shí)際能量電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量稱為實(shí)際能量。W=V工作I tV工作= V開路I Ri3.比能量 單位質(zhì)量和單位體積的電池所給出的能量，稱質(zhì)量比能量或體積比能量，也稱能量密度。比能量的單位為wh/kg或wh/L。 瑞寶聚合物鋰離子電池重量比能量

9、為170-190 wh/kg,已達(dá)到國(guó)外公司同等產(chǎn)品水平。(五)、20放電性能1. 0.2C5A放電性能 電池按充電制式規(guī)定充電后擱置0.5h1h，在20 5 的溫度下，以0.2C5A電流放電到終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于5h。2. 1C5A放電性能 電池按充電制式規(guī)定充電后擱置0.5h1h，在205 的溫度下，以1C5A電流放電到終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于51min。3. 高溫性能 電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池放入552的高溫箱中，然后以1C5A電流放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于51min。該試驗(yàn)結(jié)束后，將電池取出在環(huán)境溫度205 的條件下擱置2h，然后目測(cè)電池外觀，應(yīng)無變形、無爆裂

10、。4. 低溫性能 電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將其放入 -202 的低溫箱中1624h后，以0.2C5A電流放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于3.5h。該試驗(yàn)結(jié)束后，將電池取出在環(huán)境溫度205 的條件下擱置2h，然后目測(cè)電池外觀，電池外觀應(yīng)無變形、無爆裂。5. 荷電保持能力 電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，在環(huán)境溫度為205 的條件下，將電池開路擱置28d，再以0.2C5A電流進(jìn)行放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于4.25h。機(jī)械性能1. 振動(dòng) 電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池直接安裝或通過夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上，按下面的振動(dòng)頻率和對(duì)應(yīng)的振幅調(diào)整好試驗(yàn)設(shè)備，X、Y、 Z三個(gè)方向每個(gè)方向上從1

11、0Hz55Hz循環(huán)掃頻震動(dòng)30min，掃頻速率為1oct/min； 振動(dòng)頻率：10Hz30Hz 位移幅值（單振幅）0.38mm 振動(dòng)頻率：30Hz55Hz 位移幅值（單振幅）0.19mm 振動(dòng)結(jié)束后電池外觀應(yīng)無明顯損傷、漏液、冒煙和爆炸，電池電壓應(yīng)不低于n3.6V。2. 碰撞電池振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，將電池平均按X.Y.Z三個(gè)相互垂直軸向直接或通過夾具堅(jiān)固在臺(tái)面上，按下述要求調(diào)好加速度、脈沖持續(xù)時(shí)間，進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。 脈沖峰值加速度 100m/s2 每分鐘碰撞次數(shù) 4080脈沖持續(xù)時(shí)間 16ms 碰撞次數(shù) 100010 碰撞結(jié)束后將電池自實(shí)驗(yàn)臺(tái)取下，電池外觀應(yīng)無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，電池電壓應(yīng)不

12、低于n3.6V。3. 自由跌落 電池碰撞試驗(yàn)結(jié)束后，將電池樣品由高度（最低點(diǎn)高度）為1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的18mn20mn厚的硬木板上，從X.Y.Z正負(fù)方向（六個(gè)方向）每個(gè)方向自由跌落1次。自由跌落結(jié)束后，將電池以1C5A 電流放電至終止電壓。然后按規(guī)定進(jìn)行充放電循環(huán)，至放電時(shí)間應(yīng)不低于51min，即可終止充放電循環(huán)；充放電循環(huán)次數(shù)應(yīng)不多于3次。電池應(yīng)不漏液、不冒煙、不爆炸。4. 重物沖擊 電池放置于沖擊臺(tái)上，將10Kg重錘自1m高度自由落下，沖擊已固定在夾具中的電池（電池的面積最大的面應(yīng)與臺(tái)面垂直），電池允許發(fā)生變形，但應(yīng)不起火、不爆炸。5 熱沖擊 電池放置于熱箱中，溫

13、度以（52）/min的速率升至15020并保溫30min，電池應(yīng)不起火、不爆炸安全性能1 .過充電保護(hù) 電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，用恒流恒壓源持續(xù)給電池加載8h, 恒流恒壓源電壓設(shè)定為2倍標(biāo)稱電壓，電流設(shè)定為2C5A的外接電流，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。2 .過放電保護(hù) 電池在環(huán)境溫度205的條件下，以0.2 C5A放電至終止電壓后，外接（30n）負(fù)載放電24h，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。3 .短路保護(hù) 電池按充電制式規(guī)定充電之后，將正負(fù)極用0.1電阻器短路，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。將正負(fù)極斷開，電池以1C5A電流充電5s后用電壓表測(cè)量電池電壓，電池電壓應(yīng)不

14、小于n3.6V。4. 恒定濕熱性能 電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池放入402 ，相對(duì)濕度為90%95%的恒溫恒濕箱中擱置48h后，將電池取出在環(huán)境溫度205 的條件下擱置2h，目測(cè)電池外觀，應(yīng)無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸；再以1C5A電流放電至終止至電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于36min。貯存性能1.電池貯存12個(gè)月，經(jīng)完全充電后，0.2C5A放電時(shí)間不小于4h，放電容量約為額定容量的80%，容量的下降是由于電池的自放電反應(yīng)所引起的。2.在環(huán)境溫度205 的條件下，以1C5A充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于20mA，停止充電，擱置0.5h1h，再進(jìn)行下

15、一個(gè)充放電循環(huán)，直至連續(xù)兩次放電時(shí)間小于36min，則認(rèn)為壽命終止。循環(huán)壽命應(yīng)不低于300次。循環(huán)壽命及其影響因素 1. 鋰離子電池經(jīng)歷一次充放電，稱一個(gè)周期。在一定的放電制度下，電池容量降至規(guī)定值之前，電池所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)，稱為電池的循環(huán)壽命。2. 影響電池循環(huán)壽命的主要因素有：a.在充放電過程中，電極活性物質(zhì)表面積減少，使工作電流密度上升，極化增大；b.電極上活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移；c.電極材料發(fā)生腐蝕；d.電池內(nèi)部短路；e.隔膜損壞和活性物質(zhì)晶型改變，活性降低。四、鋰離子電池特點(diǎn)薄，輕，容量大和任意形狀；高能量密度140-180Wh/Kg(其它充電電池：120- 160Wh/Kg)；大容量單

16、體電池，免除并聯(lián)荷電保持能力強(qiáng)。在205下貯存30天后，電池的常溫放電容量可達(dá)到額定容量的85以上；循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。連續(xù)充放電500次后，電池的容量依然不低于額定值的80；安全性高。該電池具有在短路、過充、過放、沖擊(10kg重物自1m高自由落體)、振動(dòng)、槍擊、針刺(穿透)、高溫(150)等狀態(tài)下不起火、不爆炸等特點(diǎn)； 無環(huán)境污染。它不含有鎘、鉛、汞這類有害物質(zhì)，是一種潔凈的“綠色”能源；無記憶效應(yīng)?？呻S時(shí)進(jìn)行充、放電使用。比能量高。是鎘鎳電池的5倍，是鎳氫電池的2倍 異 型 電 芯性 能 比 較(一)電池類型酸性電池鎳鎘電池鎳氫電池液態(tài)鋰電池聚合物鋰電池安全好好好好優(yōu)秀工作電壓(V)21.2

17、1.23.73.7重量能量比 (Wh/kg)354150-80120-160140-180體積能量比(Wh/l)80120100-200200-800320性 能 比 較 (二)電池類型酸性電池鎳鎘電池鎳氫電池液態(tài)鋰電池聚合物鋰電池循環(huán)壽命300300500500500工作溫度 ( )-2060-2060-2060-2060-2060自放電10103055記憶效應(yīng)無有無無無毒性有毒有毒輕毒輕毒五毒形狀固定固定固定固定任意五、鋰離子電池應(yīng)用聚合物鋰離子電池的典型應(yīng)用主要有移動(dòng)電話、筆記本電腦、手持電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、 MP3、智能卡、手表、耳機(jī)、DVD和VCD播放器、HEVs等等。 鋰

18、離子電池應(yīng)用市場(chǎng)的分布用電器具比例(%)手 機(jī)51.0筆記本電腦38.9攝放一體機(jī)8.9其它1.2Mobile PhoneDVD/筆記本電腦PDA/攝像機(jī)藍(lán)牙設(shè)備（數(shù)字筆/耳機(jī)）全球兩大便攜式用電器具中鋰離子電池比例年份手 機(jī)筆記本電腦20192740201933572019366720194267六、國(guó)內(nèi)外鋰離子電池生產(chǎn)情況 近年來，隨著電子產(chǎn)品向小型化、微型化的迅速發(fā)展，對(duì)電池產(chǎn)品提出了更高的要求。由于鋰離子電池優(yōu)良的綜合性能適應(yīng)了這種要求，所以鋰離子電池生產(chǎn)的增長(zhǎng)勢(shì)頭非常迅猛。從世界范圍來講，主要發(fā)達(dá)國(guó)家都在生產(chǎn)和研發(fā)新型鋰離子電池，其中日本占主要地位。近幾年來中國(guó)鋰離子電池發(fā)展也異常迅

19、速，年產(chǎn)量已經(jīng)超過1億顆以上，再過幾年有可能超過日本，成為世界鋰離子電池生產(chǎn)大國(guó)。各國(guó)廠商在民用可充電池市場(chǎng)所占份額公司Cd/NiMH/NiLi-ion聚合物L(fēng)i-ion松下22%27%18 %三洋40%35%20 %5 %索尼18 %65 %東芝15 %10 %中國(guó)比亞迪天津力神19%10%4 %10%七、未來發(fā)展趨勢(shì)原材料國(guó)產(chǎn)化降低成本采用新材料及新工藝進(jìn)一步提高電池性能進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高電池比能量采用復(fù)合隔膜提高電池的安全性開發(fā)膠態(tài)聚合物鋰離子電池，提高電池的安全性設(shè)計(jì)研發(fā)新型多功能保護(hù)線路板，提高組合電池的安全及可靠性八、電芯操作說明(售后服務(wù)事項(xiàng))由于電芯屬于軟包裝，為保證電芯的性能不受損害，必須小心對(duì)電芯進(jìn)行 操作。1.1 鋁塑包裝膜材料鋁塑包裝膜材料易被尖銳部