鋰電池原理1課件

根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithiumionbattery,簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(polymerlithiumionbattery,簡稱為LIP)兩大類。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同,鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì),而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替,這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。聚合物鋰離子電池可分為三類：1.固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低，適于高溫使用。2.凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導(dǎo)率，使電池可在常溫下使用。3.

聚合物正極材料的鋰離子電池。采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料，其比能量是現(xiàn)有鋰離子電池的3倍，是最新一代的鋰離子電池。由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn)，也不會產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50％以上。基于以上優(yōu)點(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)為下一代鋰離子電池聚合物鋰電池的基本組成正極材料負(fù)極材料隔膜電解液外包鋁塑膜鋁鎳復(fù)合帶錳酸鋰材料電池的組成正極片：LiMyO2、導(dǎo)電劑、粘合劑，鋁箔負(fù)極片：C、導(dǎo)電劑、粘合劑、銅箔微孔隔膜：聚丙稀/聚乙烯復(fù)合膜有機(jī)電解液：LiPF6/EC+DEC....外殼及配件:鋼殼、鋁殼、鋁塑膜，鋁鎳復(fù)合帶。電化學(xué)反應(yīng)過程充電過程：正極反應(yīng)：LiMO2

xLi++Li1-xMO2+xe-負(fù)極反應(yīng)：xLi++xe-+C6

LixC6放電過程：正極反應(yīng)：xLi++Li1-xMO2+xe-

LiMO2負(fù)極反應(yīng)：LixC6

xLi++xe-+C6

電池反應(yīng)：LiMO2+C=====Li1-xMO2+LixC6鈷酸鋰材料電池的組成正極片：LiCoO2、導(dǎo)電劑、粘合劑，鋁箔負(fù)極片：C、導(dǎo)電劑、粘合劑、銅箔微孔隔膜：聚丙稀/聚乙烯復(fù)合膜有機(jī)電解液：LiClO4-PC+DME外殼及配件:鋁殼、鋁塑膜，鋁鎳復(fù)合帶。磷酸鐵鋰材料電池的組成正極片：LiFePO4、導(dǎo)電劑、粘合劑，鋁箔負(fù)極片：C、導(dǎo)電劑、粘合劑、銅箔微孔隔膜：聚丙稀/聚乙烯復(fù)合膜有機(jī)電解液：EC、DMC、EMC、LiPF6、多種添加劑外殼及配件:鋼殼，殼、鋁塑膜，鋁鎳復(fù)合帶。對各組成部份材料的要求對正負(fù)極物質(zhì)的要求

1、正極電位超正，負(fù)極電位越負(fù)

2、活性要高（反應(yīng)快，得勝率高）［

3、活性物質(zhì)在電解液中要穩(wěn)定，自溶速度要小

4、活性物質(zhì)要有良好的導(dǎo)電性能，電阻小

5、便于生產(chǎn)，資源豐富

對電解液的要求

1、電導(dǎo)率高，擴(kuò)散效率好，粘度低

2、化學(xué)成份穩(wěn)定，揮發(fā)性小，易貯存

3、正負(fù)極活性物質(zhì)在電液中能長期保持穩(wěn)定

4、便于使用對隔膜要求

1、有良好的穩(wěn)定性

2、具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和抗彎曲能力，有抗拒枝晶穿透能力

3、便于使用

4、吸水性良好，孔徑、孔率符合要求對外殼要求

1、有較高的機(jī)械強(qiáng)度，承受一般的沖擊

2、具有耐工藝腐蝕的能力電池結(jié)構(gòu)柱形電池結(jié)構(gòu)鋰離子電池安全特性

為了確保鋰離子電池安全可*的使用，專家們進(jìn)行了非常嚴(yán)格、周密的電池安全設(shè)計，以達(dá)到電池安全考核指標(biāo)。隔膜135℃自動關(guān)斷保護(hù)

采用國際先進(jìn)的Celgard2300PE-PP-PE三層復(fù)合膜。在電池升溫達(dá)到120℃的情況下，復(fù)合膜兩側(cè)的PE膜孔閉合，電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部升溫減緩，電池升溫達(dá)到135℃時，PP膜孔閉合，電池內(nèi)部斷路，電池不再升溫，確保電池安全可*。向電液中加入添加劑

在電池過充，電池電壓高于4.2v的條件下，電液添加劑與電液中其他物質(zhì)聚合，電池內(nèi)阻大副增加，電池內(nèi)部形成大面積斷路，電池不再升溫。電池蓋復(fù)合結(jié)構(gòu)

電池蓋采用刻痕防爆結(jié)構(gòu)，電池升溫時，電池內(nèi)部活化過程中所產(chǎn)生的部分氣體膨脹，電池內(nèi)壓加大，壓力達(dá)到一定程度刻痕破裂、放氣。各種環(huán)境濫用試驗(yàn)

進(jìn)行各項(xiàng)濫用試驗(yàn)，如外部短路、過充、針刺、平板沖擊、焚燒等，考察電池的安全性能。同時對電池進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)和振動、跌落、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，考察電池在實(shí)際使用環(huán)境下的性能情況。5、荷電保持及恢復(fù)能力：滿電常溫下擱置28天，荷電保持放電時間不低于1h36min（80%），荷電恢復(fù)放電時間不低于1h48min（90%）；6、儲存性能：進(jìn)行貯存試驗(yàn)的單體電池或電池組應(yīng)選自生產(chǎn)日期不足3個月的，貯存前充50％～60％的容量，在環(huán)境溫度40℃±5℃，相對濕度45％～75％的環(huán)境貯存90天。貯存期滿后取出電池組，用0.2C充滿電擱置1h后，以0.5C恒流放電至終止電壓,上述試驗(yàn)可重復(fù)測試3次，放電時間不低于1h12min（60%）；7、循環(huán)壽命：電池或電池組采用0.2C充電，0.5C放電做循環(huán)，當(dāng)連續(xù)兩次放電容量低于72min（60%）時停止測試，單體電池循環(huán)壽命不低于600次，電池組循環(huán)壽命不低于500次；8、高溫擱置壽命：應(yīng)選自生產(chǎn)日期不足三個月的單體電池的進(jìn)行高溫擱置壽命試驗(yàn)，進(jìn)行擱置前應(yīng)充入50%±5%的容量，然后在環(huán)境溫度為55℃±2℃的條下擱置7天。7天后將電池取出，在環(huán)境溫度為20℃±5℃下擱置2～5h。先以0.5C將電池放電至終止電壓，0.5h后按0.2C進(jìn)行充電，靜置0.5h后，再以0.5C恒流放電至終止電壓，以此容量作為恢復(fù)容量。以上步驟為1周循環(huán)，直至某周放電時間低于72min（60%）,試驗(yàn)結(jié)束。擱置壽命不低于56天（8周循環(huán)）。安全性能1、持續(xù)充電：將單體電池以0.2ItA恒流充電，當(dāng)單體電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時，改為恒壓充電并保持28d，試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸（相當(dāng)于滿電浮充）。

2、過充電：將單體電池用恒流穩(wěn)壓源以3C恒流充電，電壓達(dá)到10V后轉(zhuǎn)為恒壓充電，直到電池爆炸或起火或充電時間為90min或電池表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2℃）時停止充電，電池應(yīng)不起火、不爆炸（3C10V）；將電池組用穩(wěn)壓源以0.5ItA恒流充電，電壓達(dá)到n×5V（n為串聯(lián)單體電池數(shù)）后轉(zhuǎn)為恒壓充電，直到電池組爆炸或起火或充電時間為90min或電池組表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2℃）時停止充電，電池應(yīng)不起火、不爆炸。3、

強(qiáng)制放電（反向充電）：將單體電池先以0.2ItA恒流放電至終止電壓，然后以1ItA電流對電池進(jìn)行反向充電，要求充電時間不低于90min，電池應(yīng)不起火、不爆炸；將電池組其中一只單體電池放電至終止電壓，其余均為充滿電態(tài)的電池，再以1ItA恒流放電至電池組的電壓為0V時停止放電，電池應(yīng)不起火、不爆炸。

4、短路測試：將單體電池經(jīng)外部短路90min，或電池表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2℃）時停止短路，外部線路電阻應(yīng)小于50mΩ，電池應(yīng)不起火、不爆炸；將電池組的正負(fù)極用小于電阻0.1Ω的銅導(dǎo)線連接直至電池組電壓小于0.2V或電池組表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2℃），電池應(yīng)不起火、不爆炸4、機(jī)械沖擊；將電池或電池組采用剛性固定的方法（該方法能支撐電池或電池組的所有固定表面）將電池或電池組固定在試驗(yàn)設(shè)備上。在三個互相垂直的方向上各承受一次等值的沖擊。至少要保證一個方向與電池或電池組的寬面垂直，每次沖擊按下述方法進(jìn)行：在最初的3ms內(nèi)，最小平均加速度為735m/s2，峰值加速度應(yīng)該在1225m/s2和1715m/s2之間。

5、

振動：將電池或電池組直接安裝或通過夾具安裝在振動臺面上進(jìn)行振動試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為頻率10Hz～55Hz，加速度29.4m/s2，X,Y,Z每個方向掃頻循環(huán)次數(shù)為10次，掃頻速率為1oct/min。

6、自由跌落：將單體電池或電池組由高度（最低點(diǎn)高度）為600mm的位置自由跌落到水泥地面上的20mm厚的硬木板上，從X,Y,Z三個方向各一次。自由跌落結(jié)束后。環(huán)境適應(yīng)性：1、高溫烘烤：將單體電池放入高溫防爆箱中，以（5℃±2℃）/min升溫速率升溫至130℃，在該溫度下保溫10min。

2、高溫儲存：將單體電池或電池組放置在75℃±2℃的烘箱中擱置48h，電池應(yīng)，應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸。以上參數(shù)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際參數(shù)以各個電池生產(chǎn)廠商規(guī)格滬深為準(zhǔn)。電池的放電特性不同材料體系電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓三元材料：3.6V錳酸鋰：3.7V鈷酸鋰：3.7V磷酸鐵鋰：3.2V各個材料體系電池的應(yīng)用常規(guī)的電池正極材料是鈷酸鋰LiCoO2，三元材料則是鎳鈷錳酸鋰Li（NiCoMn）O2，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，三元材料做正極的電池相對于鈷酸鋰電池安全性高，但是平臺太低。由于三元材料的價格比鈷酸鋰材料便宜，目前在一些低端聚合物電池產(chǎn)品可見使用。目前在一些山寨手機(jī)上已經(jīng)有在用三元材料的電池了，特別是容量比較高的電池。錳酸鋰：目前錳酸鋰電池成熟一些，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，豐田、本田、日產(chǎn)電動車用的是錳酸鋰電池。與錳酸鋰電池相比磷酸鐵鋰電池耐高溫性好，一般人認(rèn)為相對安全性高一些。但其弱點(diǎn)是導(dǎo)電性差，內(nèi)阻大，工作時產(chǎn)生的熱量較多，目前的試驗(yàn)主要也是圍繞著解決這一問題來展開。現(xiàn)階段主要與鈷酸鋰混合使用。

磷酸鐵鋰：磷酸鐵鋰電池現(xiàn)在主要方向是動力電池，相對鈷酸鋰電池在大倍率放電是有很大優(yōu)勢。磷酸鐵鋰動力電池七大優(yōu)勢:一、超長壽命，循環(huán)壽命在1000-2000次以上。二、使用安全，磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強(qiáng)烈的碰撞下會產(chǎn)生爆炸對消費(fèi)者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰以經(jīng)過嚴(yán)格的安全測試即使在最惡劣的交通事故中也不會產(chǎn)生爆炸。三、可大電流5C快速充放電，最大峰值電流在45C以上。在專用充電器下，1.5C充電40分鐘內(nèi)即可使電池充滿，起動電流可達(dá)2C,而鈷酸鋰電池現(xiàn)在無此性能。四、耐高溫，磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃—500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。五、大容量。六、無記憶效應(yīng)。七、綠色環(huán)保。磷酸鐵鋰電池也有其缺點(diǎn)：例如磷酸鐵鋰正極材料的振實(shí)密度較小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢。高倍率充放電時，實(shí)際比容量低，這個問題是制約磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個難點(diǎn)。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒有大范圍的應(yīng)用，這是一個主要的問題。第一階段（目前較為廣泛）：1．電動工具：電鉆、電鋸、割草機(jī)等；

2．遙控汽車、船、飛機(jī)等玩具；

3．不間斷電源（UPS）及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好)；

4、替代照相機(jī)中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池（尺寸完全相同）；第二階段（目前正在興起）：1．輕型電動車：電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等；

2．太陽能及風(fēng)力發(fā)電的儲能設(shè)備；3．小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。

第三階段（目前靠政府推動）：1．大型電動車輛：公交車、汽車、景點(diǎn)游覽車及混合動力車等。電池的溫度特性工作溫度范圍：-20~60oC。電池的工作溫度錳酸鋰電池：-50~45oC。鈷酸鋰電池：-20~55oC。磷酸鐵鋰電池：-20~70oC荷電保持能力及自放電率電池充電結(jié)束后，在環(huán)境溫度為20±5oC條件下，將電池開路放置28天，再以0.5CA電流進(jìn)行恒流放電，放電時間不小于1.8h。60oC時：容量損失<25%。40oC時：容量損失<22%。20oC時：容量損失<8%。電池的循環(huán)壽命在環(huán)境溫度20±5oC的條件下，以1C5A恒流充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時，改為恒壓充電，直到充電電流為10±5mA，停止充電；擱置0.5h~1h，然后以1C5A電流恒流放電至終止電壓2.75V；擱置0.5h~1h，再進(jìn)行下一個充放電循環(huán)。直至連續(xù)兩次放電容量小于80%的1C5A放電容量，認(rèn)為壽命終止，循環(huán)壽命不小于300次。電池其他一些零件保護(hù)板PTC溫度開關(guān)外殼鋰離子電池保護(hù)板主要技術(shù)參數(shù)：過充保護(hù)電壓過流保護(hù)電流值過放保護(hù)電壓過放恢復(fù)電壓待機(jī)狀態(tài)自耗電流（靜態(tài)工作電流）短路保護(hù)時間電池組還應(yīng)有電壓

保護(hù)板的主要零件：底板:底板里覆的銅箔負(fù)責(zé)連接各個器件的引腳，外面覆的一層阻焊油，表面噴錫處理?？刂艻C（Q）:負(fù)責(zé)電池或電池組的充放電管理，當(dāng)IC檢測到電池在充電或放電達(dá)到保護(hù)板的設(shè)定值時，電路自動切斷。MOSFET（U）：簡稱MOS管，起的就像是一個開關(guān)一樣的作用?？刂艻C在發(fā)出命令后，由MOS來切斷電路。電容（C）：用來儲存多余電量的一個元件。電阻（R）：電阻在電路中通常起分壓分流的作用NTC（負(fù)溫度系電阻）：電阻阻值隨溫度增高而減小，功能起保護(hù)作用，其標(biāo)準(zhǔn)以25攝氏度而定，不同溫度其阻值不同。

電池在長期處于過高（4.3V）或過低（2.0V）的電壓時，會影響電池的使用壽命。不同材料體系的電池的保護(hù)電壓：材料名稱三元材料錳酸鋰鈷酸鋰