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，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?；谝陨蟽?yōu)點，聚合物鋰離子電池被譽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極材料隔膜電解液外包鋁塑膜鋁鎳復合帶錳酸鋰材料電池的組成正極片：LiMyO2、導電劑、粘合劑，鋁箔負極片：C、導電劑、粘合劑、銅箔微孔隔膜：聚丙稀/聚乙烯復合膜有機電解液：LiPF6/EC+DEC....外殼及配件:鋼殼、鋁殼、鋁塑膜，鋁鎳復合帶。電化學反應過程充電過程：正極反應：LiMO2

xLi++Li1-xMO2+xe-負極反應：xLi++xe-+C6

LixC6放電過程：正極反應：xLi++Li1-xMO2+xe-

LiMO2負極反應：LixC6

xLi++xe-+C6

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

1、正極電位超正，負極電位越負

2、活性要高（反應快，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、電導率高，擴散效率好，粘度低

2、化學成份穩(wěn)定，揮發(fā)性小，易貯存

3、正負極活性物質(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、具有一定的機械強度和抗彎曲能力，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、有較高的機械強度，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，專家們進行了非常嚴格、周密的電池安全設計，以達到電池安全考核指標。隔膜135℃自動關(guān)斷保護

采用國際先進的Celgard2300PE-PP-PE三層復合膜。在電池升溫達到120℃的情況下，復合膜兩側(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，壓力達到一定程度刻痕破裂、放氣。各種環(huán)境濫用試驗

進行各項濫用試驗，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。同時對電池進行溫度沖擊試驗和振動、跌落、沖擊等力學性能試驗，考察電池在實際使用環(huán)境下的性能情況。5、荷電保持及恢復能力：滿電常溫下擱置28天，荷電保持放電時間不低于1h36min（80%），荷電恢復放電時間不低于1h48min（90%）；6、儲存性能：進行貯存試驗的單體電池或電池組應選自生產(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,上述試驗可重復測試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：應選自生產(chǎn)日期不足三個月的單體電池的進行高溫擱置壽命試驗，進行擱置前應充入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，當單體電池端電壓達到充電限制電壓時，改為恒壓充電并保持28d，試驗結(jié)束后，應不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸（相當于滿電浮充）。

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，電池應不起火、不爆炸。3、

強制放電（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電流對電池進行反向充電，要求充電時間不低于90min，電池應不起火、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，外部線路電阻應小于50mΩ，電池應不起火、不爆炸；將電池組的正負極用小于電阻0.1Ω的銅導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℃），電池應不起火、不爆炸4、機械沖擊；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設備上。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行：在最初的3ms內(nèi)，最小平均加速度為735m/s2，峰值加速度應該在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行振動試驗。試驗條件為頻率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，應不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸。以上參數(shù)為行業(yè)標準，實際參數(shù)以各個電池生產(chǎn)廠商規(guī)格滬深為準。電池的放電特性不同材料體系電池的標準電壓三元材料：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，一般人認為相對安全性高一些。但其弱點是導電性差，內(nèi)阻大，工作時產(chǎn)生的熱量較多，目前的試驗主要也是圍繞著解決這一問題來展開?，F(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烈的碰撞下會產(chǎn)生爆炸對消費者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰以經(jīng)過嚴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。七、綠色環(huán)保。磷酸鐵鋰電池也有其缺點：例如磷酸鐵鋰正極材料的振實密度較小，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。磷酸鐵鋰之所以這么晚還沒有大范圍的應用，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、割草機等；

2．遙控汽車、船、飛機等玩具；

3．不間斷電源（UPS）及應急燈、警示燈及礦燈(安全性最好)；

4、替代照相機中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．太陽能及風力發(fā)電的儲能設備；3．小型醫(yī)療儀器設備及便攜式儀器等。

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，當電池端電壓達到充電限制電壓時，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板PTC溫度開關(guān)外殼鋰離子電池保護板主要技術(shù)參數(shù)：過充保護電壓過流保護電流值過放保護電壓過放恢復電壓待機狀態(tài)自耗電流（靜態(tài)工作電流）短路保護時間電池組還應有電壓

保護板的主要零件：底板:底板里覆的銅箔負責連接各個器件的引腳，外面覆的一層阻焊油，表面噴錫處理。控制IC（Q）:負責電池或電池組的充放電管理，當IC檢測到電池在充電或放電達到保護板的設定值時，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（負溫度系電阻）：電阻阻值隨溫度增高而減小，功能起保護作用，其標準以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電壓：材料名稱三元材料錳酸鋰鈷酸鋰