鋰離子電池基礎知識課件

鋰離子電池基礎知識主講：時間：2011.5.271內容一、電池分類二、鋰離子電池簡介三、鋰離子電池之電化學反應機理四、鋰離子電池之應用領域五、鋰離子電池之結構六、液態(tài)鋰離子電池之工藝流程七、鋰離子電池之性能指標八、鋰離子電池質量認證2一、電池分類我們生活中經常接觸的電池總結起來可分為五大類：

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)3鎳鎘電池Ni-Cd正極為羥基氧化鎳NiOOH，負極為金屬鎘Cd，電解質為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。但是鎳鎘電池還有許多致命的缺點，例如記憶效應、壽命短、重金屬造成的嚴重污染等。

單個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。

5鎳氫電池Ni-MH正極為羥基氧化鎳NiOOH，負極為儲氫合金MH，電解質為KOH水溶液。Ni-MH中，M為儲氫合金，MH為吸附了氫原子的儲氫合金，最常用儲氫合金為LaNi5。

鎳氫電池容量比鎳鎘電池大一倍，對人體和環(huán)境無傷害，價格比鋰電要低，在同等設計和一樣的使用環(huán)境下，Ni-MH電池的壽命一般比Ni-Cd電池長40%。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。單個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。

6堿性電池它是我們日常生活中常用的一種電池，這類電池全稱為堿性鋅錳電池，它是以鋅粉為負極，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)點包括有電量大、電流強、壽命長、輸出穩(wěn)定、低溫特性良好，保存時間長等。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，所以使用代價是比較高的，而且對環(huán)境也會造成一定的污染。

單個堿性電池的電壓約為1.5V左右。7鋰離子電池的優(yōu)點能量密度高，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，無需維修對環(huán)境較為“友好”，稱為綠色電池，使用壽命長9鋰離子電池的缺點成本高，主要是正極材料LiCoO2的價格高，隨著正極技術的不斷發(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)點相比，這些缺點不成為主要問題，特別是用于一些高科技、高附加值的產品中，故應用范圍非常廣泛10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：1、電池成本較高。主要表現(xiàn)在LiCoO2的價格高（Co的資源較小），電解質體系提純困難。2、不能大電流放電。由于有機電解質體系等原因，電池內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0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。3、需要保護線路控制。11二、鋰電池簡介目前市面上所使用的鋰離子(Li-ion)電池量產的有兩種類型。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、負極、電解液這三種主要構造中至少有一項或一項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用于正極及電解質。13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14二、鋰離子電池簡介正極：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。

負極：采用鋰-碳層間化合物LiXC6。電解質：溶解有鋰鹽LiPF6、LiAsF6等有機溶液。15類別安全性能比容量mAh/g循環(huán)壽命/次電壓平臺材料成本所占成本比重適合領域鈷酸鋰差145＞5003.6高40%中小型移動電池錳酸鋰較好105＞5003.7低25%對體積不敏感的中型動力電池三元素較好160＞8003.6較高33%中小型動力電池磷酸鐵鋰很好150＞15003.2低廉25%對體積不敏感的大型動力電源幾種正極材料應用優(yōu)劣勢比較目前看來，磷酸鐵鋰材料最適合制作大型動力電池，已成為世界各國競相研究和開發(fā)的重要方向！鋰離子電池關鍵正極材料17鋰電池用負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

18三、鋰離子電池電化學反應機理正極反應：LiCoO2====Li1-xCoO2+xLi++xe-

負極反應：C+xLi++xe-===CLix

電池總反應：LiCoO2+C====Li1-xCoO2+CLix

放電時發(fā)生上述反應的逆反應。19五、鋰離子電池結構正極活性物質（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2)導電劑、溶劑、粘合劑、基體負極活性物質（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）21鋰離子電池的結構組成電芯PTC保護電路板熱敏電阻MOSFET保護IC22鋰離電電池保護電路原理說明保護ICID電阻電芯熱敏電阻MOSFETPTC或FUSE23圓柱形鋰離子電池結構圖密封圈限流開關隔膜絕緣墊25軟包裝鋰離子電池結構圖26鋰離子電池結構——正極正極基體：鋁箔（約0.020mm厚)正極物質：鈷酸鋰+碳黑+PVDF正極集流體：鋁帶（約0.1mm厚）27鋰離子電池結構——隔膜材質：單層PE（聚乙烯）或者三層復合PP（聚丙烯）

+PE+PP厚度：單層一般為0.016～0.020mm

三層一般為0.020～0.025mm29鋰離子電池結構——電解液性質：

無色透明液體，具有較強吸濕性。應用：

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）。規(guī)格：

溶劑組成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6濃度1mol/l質量指標：

密度（25℃）g/cm31.23±0.03水分（卡爾費休法）≤20ppm游離酸（以HF計）≤50ppm電導率（25℃）10.4±0.5ms／cm30六、液態(tài)鋰離子電池生產工藝流程配料卷繞注液檢測包裝拉漿制片化成激光焊裁片31七、液態(tài)鋰離子電池性能常規(guī)性能：容量電壓內阻可靠性性能：循環(huán)壽命放電平臺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32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C表示。常用的單位為安培小時，簡稱安時（Ah）或毫安時（mAh）。電池的容量可以分為理論容量、額定容量、實際容量。理論容量是把活性物質的質量按法拉第定律計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，是按國家或有關部門頒布的標準，保證電池在一定的放電條件下應該放出的最低限度的容量。33mAh與W·h——(毫安時與瓦時的概念)mAh:電池容量的計量單位，實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W·h:電池能量的計量單位，電池容量乘以電池電壓即為瓦時。例：1W·h=1V*1A·hNOKIA:3.7V1200mAh的電池所蘊含的能量為：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農夫山泉的話：Δt=7.6℃34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1.2V2500mAhWIN35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與負極電極電勢之差。工作電壓工作電壓指電池接通負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。36內阻電流通過電池內部時受到阻力，使電池的電壓降低，此阻力稱為電池的內阻。電池的內阻不是常數(shù)，在放電過程中隨時間不斷變化，因為活性物質的組成、電解液濃度和溫度都在不斷地改變。電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻，極化內阻又包括電化學極化與濃差極化。內阻的存在，使電池放電時的端電壓低于電池電動勢和開路電壓，充電時端電壓高于電動勢和開路電壓。歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關系，常隨電流密度的對數(shù)增大而線性增大。37循環(huán)壽命電池在完全充電后完全放電，循環(huán)進行，直到容量衰減為初始容量的75%，此時循環(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鋰離子電池室溫下1C充放電循環(huán)壽命可達300-500次（行業(yè)標準），最高可達800-1000次。38放電平臺鋰離子電池完全充電后，放電至3.6V時的容量記為C1，放電至3.0V時的容量記為C0，C1/C0稱為該電池之放電平臺行業(yè)標準1C放電平臺為70%以上，我們現(xiàn)在可以作到83%-85%放電平臺對手機電池使用效果影響最大，關系到手機通話的聲音清晰度39自放電電池完全充電后，放置一個月。然后用1C放電至3.0V，其容量記為C2；電池初始容量記為C0；1-C2/C0即為該電池之月自放電率行業(yè)標準鋰離子電池月自放電率小于12%，我們可以做到6%-8%電池自放電與電池的放置性能有關，其大小和電池內阻結構和材料性能有關40各種電池的自放電率比較：鎳氫電池(Ni-MH)鎳鎘電池(Ni-Cd)鋰離子電池(LiPorLiB)30-35%25-30%10%均為室溫下充滿電的各電池儲存1個月后的自放電率自放電率：因為制作電池的原材料不可能是百分之百的純，總會有雜質混在中間，所以不可避免地存在自放電現(xiàn)象。41記憶效應記憶效應是針對鎳鎘電池而言的，由于傳統(tǒng)工藝中負極為燒結式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在它們被完全放電之前就重新充電，鎘晶粒容易