鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)

關(guān)于鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)第1頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六1一、電池分類我們生活中經(jīng)常接觸的電池總結(jié)起來可分為五大類：

第一類：鉛酸電池Lead-acidbattery

第二類：鎳鎘電池Nickel-Cadmium(Ni-Cd)第三類：鎳氫電池Nickel-MetalHudride(Ni-MH)第四類：堿性電池(Alkaline)第五類：鋰電池(Lithium)第2頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六2鉛酸電池VRLA

正極為二氧化鉛PbO2，負(fù)極為鉛Pb，電解質(zhì)為稀硫酸H2SO4水溶液，目前最常見的是一種免維護(hù)閥控式鉛酸電池(ValveRegulatedLeadAcidBattery，VRLA)

鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)是放電時(shí)電壓較穩(wěn)定，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是比能量（單位重量所蓄電能）小，對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)。

單個(gè)鉛酸電池的電壓約為2V左右，常用串聯(lián)方式組成6伏或12伏的蓄電池組。

第3頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六3鎳鎘電池Ni-Cd

正極為羥基氧化鎳NiOOH，負(fù)極為金屬鎘Cd，電解質(zhì)為KOH或者NaOH水溶液。

這種電池具有良好的大電流放電特征、低溫特性好等優(yōu)點(diǎn)。但是鎳鎘電池還有許多致命的缺點(diǎn)，例如記憶效應(yīng)、壽命短、重金屬造成的嚴(yán)重污染等。

單個(gè)鎳鎘電池的電壓約為1.2V左右，滿電狀態(tài)下約為1.4V，常用串聯(lián)方式組成9V電池組。

第4頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六4鎳氫電池Ni-MH

正極為羥基氧化鎳NiOOH，負(fù)極為儲(chǔ)氫合金MH，電解質(zhì)為KOH水溶液。Ni-MH中，M為儲(chǔ)氫合金，MH為吸附了氫原子的儲(chǔ)氫合金，最常用儲(chǔ)氫合金為LaNi5

。

鎳氫電池容量比鎳鎘電池大一倍，對(duì)人體和環(huán)境無傷害，價(jià)格比鋰電要低，在同等設(shè)計(jì)和一樣的使用環(huán)境下，Ni-MH電池的壽命一般比Ni-Cd電池長40%

。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。

單個(gè)鎳氫電池的電壓約為1.2V左右，滿電狀態(tài)下約為1.4V，常用串聯(lián)方式組成9V電池組。

第5頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六5堿性電池

它是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫囊环N電池，這類電池全稱為堿性鋅錳電池，它是以鋅粉為負(fù)極，電解二氧化錳為正極，以氫氧化鉀為電解液制成的電池。

它的優(yōu)點(diǎn)包括有電量大、電流強(qiáng)、壽命長、輸出穩(wěn)定、低溫特性良好，保存時(shí)間長等。但是，一般情況下大多數(shù)堿性電池都不能充電，一次使用完就沒用了，所以使用代價(jià)是比較高的，而且對(duì)環(huán)境也會(huì)造成一定的污染。

單個(gè)堿性電池的電壓約為1.5V左右。第6頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六6鋰電池采用含有鋰元素的材料作為電極的電池都稱為鋰電池。大致可分為鋰電池和鋰離子電池兩種類型。鋰電池：正極為二氧化錳(MnO2)或亞硫酰氯(Li--SOCl?

)，負(fù)極為金屬鋰，電解質(zhì)為有機(jī)溶劑。鋰離子電池：這種電池?zé)o論在正負(fù)極還是在電池隔膜中，鋰都是以離子形式存在的，所以稱之為鋰離子電池，鋰離子電池負(fù)極是碳素材料，如石墨等。正極則是含鋰的過渡金屬氧化物。電解質(zhì)是含鋰鹽的有機(jī)溶液。

鋰-二氧化錳電池Li-MO2（CR）

鋰—亞硫酰氯電池

Li--SOCl?

鋰離子電池

Li--ion

第7頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六7鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)能量密度高，輸出功率大平均輸出電壓高（約3.6V），為Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍自放電小，不到Ni-Cd、Ni-MH電池的一半沒有Ni-Cd、Ni-MH電池一樣的記憶效應(yīng)可快速充放電，充放電效率高工作溫度范圍寬-30~+45C，無需維修對(duì)環(huán)境較為“友好”，稱為綠色電池，使用壽命長第8頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六8鋰離子電池的缺點(diǎn)

成本高，主要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高，隨著正極技術(shù)的不斷發(fā)展，采用LiMn2O4、LiFePO4等為正極材料，有望大大降低成本；必須有特殊的保護(hù)電路，以防過充過放；與普通電池的相容性差，一般要在用3節(jié)普通電池（3.6V）的情況下才能用鋰離子電池替代同優(yōu)點(diǎn)相比，這些缺點(diǎn)不成為主要問題，特別是用于一些高科技、高附加值的產(chǎn)品中，故應(yīng)用范圍非常廣泛第9頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六9放電電流大小的比較：鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池鋰離子電池的缺點(diǎn)：

1、電池成本較高。主要表現(xiàn)在LiCoO2的價(jià)格高（Co的資源較?。?，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(duì)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0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。

3、需要保護(hù)線路控制。第10頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六10二、鋰離子電池簡(jiǎn)介鋰離子電池是鋰電池的改進(jìn)型產(chǎn)品，鋰電池很早以前就有了，但鋰是一種高度活躍的金屬，它使用時(shí)不太安全，經(jīng)常會(huì)在充電時(shí)出現(xiàn)燃燒、爆裂的情況，后來就有了改進(jìn)型的鋰離子電池，加入能抑制鋰元素活躍的成份（比如鈷、錳等等）從而使鋰電真正達(dá)到了安全、高效、方便，而老的鋰電池也隨之基本上淘汰了。如何區(qū)分鋰電池和鋰離子電池：從電池的標(biāo)識(shí)上就能識(shí)別，鋰電池為Li、鋰離子電池為Li-ion?，F(xiàn)在，筆記本和手機(jī)使用的所謂“鋰電池”，其實(shí)都是鋰離子電池。第11頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六11二、鋰電池簡(jiǎn)介目前市面上所使用的鋰離子(Li-ion)電池量產(chǎn)的有兩種類型。1、液體鋰離子電池（LiB)：使用液體電解液的鋰離子電池。目前市場(chǎng)上80%以上的鋰離子電池均為此類。2、聚合物鋰離子電池（LiP）：在正極、負(fù)極、電解液這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料作為其主要材料的鋰離子電池。目前高分子材料主要是被應(yīng)用于正極及電解質(zhì)。第12頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六12各種“鋰”電池之間的區(qū)別聚合物鋰離子電池(LIP)液態(tài)鋰離子電池(LIB)鋰錳電池(LithiumButtonCell)“鋰”電池可充不可充第13頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六13二、鋰離子電池簡(jiǎn)介正極：一般采用鋰化合物鈷酸鋰LiXCoO2、鎳酸鋰LiXNiO2

、錳酸鋰LiXMnO2、三元材料鎳鈷錳酸鋰Li(NiCoMn)O2、磷酸鐵鋰LiFePO4。目前絕大部分鋰離子電池采用的是鈷酸鋰作為正極。

負(fù)極：采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。電解質(zhì)：溶解有鋰鹽LiPF6

、LiAsF6等有機(jī)溶液。第14頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六14LiNiO2LiCoO2LiMn2O4三元復(fù)合材料LiFePO4實(shí)用正極材料實(shí)用正極材料第15頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六15類別安全性能比容量mAh/g循環(huán)壽命/次電壓平臺(tái)材料成本所占成本比重適合領(lǐng)域鈷酸鋰差145＞5003.6高40%中小型移動(dòng)電池錳酸鋰較好105＞5003.7低25%對(duì)體積不敏感的中型動(dòng)力電池三元素較好160＞8003.6較高33%中小型動(dòng)力電池磷酸鐵鋰很好150＞15003.2低廉25%對(duì)體積不敏感的大型動(dòng)力電源幾種正極材料應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)比較目前看來，磷酸鐵鋰材料最適合制作大型動(dòng)力電池，已成為世界各國競(jìng)相研究和開發(fā)的重要方向！鋰離子電池關(guān)鍵正極材料第16頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六16鋰電池用負(fù)極材料碳材料非碳材料石墨非石墨天然石墨人工石墨軟碳硬碳金屬氧化物金屬間化合物其他過渡金屬氧化物錫基氧化物金屬氮化物等錫基、銻基等

第17頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六17三、鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理正極反應(yīng)：LiCoO2====Li1-xCoO2+xLi++xe-

負(fù)極反應(yīng)：C+xLi++xe-===CLix

電池總反應(yīng)：LiCoO2+C====Li1-xCoO2+CLix

放電時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。第18頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六18四、應(yīng)用領(lǐng)域Li-ionBattery第19頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六19五、鋰離子電池結(jié)構(gòu)正極活性物質(zhì)（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2)

導(dǎo)電劑、溶劑、粘合劑、基體負(fù)極活性物質(zhì)（石墨、MCMB)

粘合劑、溶劑、基體隔膜（PP+PE）電解液（LiPF6+DMCECEMC)外殼五金件（鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片）第20頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六20鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成電芯PTC保護(hù)電路板熱敏電阻MOSFET保護(hù)IC第21頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六21鋰離電電池保護(hù)電路原理說明保護(hù)ICID電阻電芯熱敏電阻MOSFETPTC或FUSE第22頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六22保護(hù)板保護(hù)板通常包括控制IC、MOS開關(guān)。其中控制IC，在一切正常的去年高考下控制MOS開關(guān)導(dǎo)通，使電芯與外電路溝通，而當(dāng)電芯電壓或回路電路超過規(guī)定值時(shí)，它立刻控制MOS開關(guān)關(guān)斷，保護(hù)電芯的安全。功能：過壓保護(hù)，欠壓保護(hù)，過流保護(hù)。第23頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六23圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖密封圈限流開關(guān)隔膜絕緣墊第24頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六24軟包裝鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖第25頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六25鋰離子電池結(jié)構(gòu)——正極正極基體：鋁箔（約0.020mm厚)正極物質(zhì)：鈷酸鋰+碳黑+PVDF正極集流體：鋁帶（約0.1mm厚）第26頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六26鋰離子電池結(jié)構(gòu)——負(fù)極負(fù)極基體：銅箔（約0.015mm厚)負(fù)極物質(zhì)：石墨+CMC+SBR負(fù)極集流體：鎳帶（約0.07mm厚）第27頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六27鋰離子電池結(jié)構(gòu)——隔膜材質(zhì)：?jiǎn)螌覲E（聚乙烯）或者三層復(fù)合PP（聚丙烯）

+PE+PP厚度：?jiǎn)螌右话銥?.016～0.020mm

三層一般為0.020～0.025mm第28頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六28鋰離子電池結(jié)構(gòu)——電解液性質(zhì)：

無色透明液體，具有較強(qiáng)吸濕性。應(yīng)用：

主要用于可充電鋰離子電池的電解液，只能在干燥環(huán)境下使用操作（如環(huán)境水分小于20ppm的手套箱內(nèi)）。規(guī)格：

溶劑組成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）

LiPF6濃度1mol/l質(zhì)量指標(biāo)：

密度（25℃）g/cm31.23±0.03

水分（卡爾費(fèi)休法）≤20ppm

游離酸（以HF計(jì)）≤50ppm

電導(dǎo)率（25℃）10.4±0.5ms／cm第29頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六29六、液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程配料卷繞注液檢測(cè)包裝拉漿制片化成激光焊裁片第30頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六30七、液態(tài)鋰離子電池性能常規(guī)性能：容量電壓內(nèi)阻可靠性性能：循環(huán)壽命放電平臺(tái)自放電貯存性能高低溫性能安全性能過充短路針刺跌落濕水低壓振動(dòng)第31頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六31容量電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為電池的容量，以符號(hào)C表示。常用的單位為安培小時(shí)，簡(jiǎn)稱安時(shí)（Ah）或毫安時(shí)（mAh）。電池的容量可以分為理論容量、額定容量、實(shí)際容量。理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，單位為Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。實(shí)際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，單位為

Ah，其值小于理論容量。額定容量也叫保證容量，是按國家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。第32頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六32mAh與W·h——(毫安時(shí)與瓦時(shí)的概念)mAh:電池容量的計(jì)量單位，實(shí)際就是電池中可以釋放為外部使用的電子的總數(shù)。例：1000mAh：以1A的電流向外界持續(xù)釋放1小時(shí)W·h:電池能量的計(jì)量單位，電池容量乘以電池電壓即為瓦時(shí)。例：1W·h=1V*1A·hNOKIA:3.7V1200mAh的電池所蘊(yùn)含的能量為：3.7V*1.2Ah=4.44

W·h繼續(xù)換算成熱量：4.44W·h*3600=15984J這些熱量用來燒1瓶500ml農(nóng)夫山泉的話：Δt=7.6℃第33頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六33猜一猜：諾基亞：聚合物鋰電池3.7V1200mAh哪顆電池能量大？品勝：鎳氫電池1.2V2500mAhWIN第34頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六34電壓

開路電壓電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓。電池的開路電壓等于電池的正極的還原電極電勢(shì)與負(fù)極電極電勢(shì)之差。工作電壓工作電壓指電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓，又稱放電電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。電池在接通負(fù)載后，由于歐姆電阻和極化過電位的存在，電池的工作電壓低于開路電壓。第35頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六35內(nèi)阻電流通過電池內(nèi)部時(shí)受到阻力，使電池的電壓降低，此阻力稱為電池的內(nèi)阻。電池的內(nèi)阻不是常數(shù)，在放電過程中隨時(shí)間不斷變化，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的組成、電解液濃度和溫度都在不斷地改變。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化與濃差極化。內(nèi)阻的存在，使電池放電時(shí)的端電壓低于電池電動(dòng)勢(shì)和開路電壓，充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關(guān)系，常隨電流密度的對(duì)數(shù)增大而線性增大。第36頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六36循環(huán)壽命電池在完全充電后完全放電，循環(huán)進(jìn)行，直到容量衰減為初始容量的75%，此時(shí)循環(huán)次數(shù)即為該電池之循環(huán)壽命循環(huán)壽命與電池充放電條件有關(guān)鋰離子電池室溫下1C充放電循環(huán)壽命可達(dá)300-500次（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），最高可達(dá)800-1000次。第37頁，共43頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)44分，星期六37放電平臺(tái)鋰離子電池完全充電后，放電至3.6V時(shí)的容量記為C1，放電至3.0V時(shí)的容量記為C0，C1/C0稱為該電池之放電平臺(tái)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1C放電平臺(tái)為70%以上，我們現(xiàn)在可以作到83%-85%放電平臺(tái)對(duì)手機(jī)電池使用效果影響最大，關(guān)系到手機(jī)通話的聲音清晰度第38頁，共43頁，2022年，5月2