認(rèn)識(shí)鋰離子電池課件

鋰離子電池鋰離子電池的基本原理主要參數(shù)指標(biāo)鋰離子電池的正負(fù)極材料目錄CATALOG鋰離子電池的能量密度鋰離子電池的充放電倍率鋰離子電池的循環(huán)壽命鋰離子電池的安全性鋰離子電池鋰離子電池的基本原理主要參數(shù)指標(biāo)鋰離子電池的正負(fù)極1鋰離子電池概念鋰離子電池是一種鋰離子濃差電池，分別用兩個(gè)能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來(lái)完成電池充放電工作的獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高比能量的移動(dòng)電源需求量加劇。鋰離子電池是一種理想的可移動(dòng)電源，具有體積小、重量輕、放電電壓高、比能量大等優(yōu)點(diǎn)。自從1990年SONY公司推出世界上第一只鋰離子電池，到2001年為止，整個(gè)市場(chǎng)每年約4億支該類電池用于純消費(fèi)類電子產(chǎn)品。便攜式攝像機(jī)、移動(dòng)電源、筆記本電腦、無(wú)人機(jī)等95%以上使用鋰離子二次電池作為主要電源。鋰離子電池概念2鋰離子電池鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)1、高能量密度：100Wh/Kg以上，為鎳鎘電池的三倍，鎳氫電池的兩倍；2、電壓高：約為3.6V；3、容量大：能量高、儲(chǔ)存能量密度大；4、低溫下工作優(yōu)：在-20~60℃的溫度范圍內(nèi)工作，低溫下的工作優(yōu)于其它電池；5、低維護(hù)性：沒(méi)有記憶效應(yīng)，無(wú)需定期放電，最理想的保存方式，就是在40%充電后冷藏保存，可以保存達(dá)10年之久；6、自放電率低：約為6%/月；7、長(zhǎng)循環(huán)壽命（>1000次，100%DOD)；8、環(huán)保：無(wú)重金屬，無(wú)污染。鋰離子電池鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)3鋰離子電池鋰離子電池的缺點(diǎn)1、安全性能問(wèn)題：需復(fù)雜的保護(hù)線路，電解液為有機(jī)物易起火；2、放電倍率低：1C~2C；3、生產(chǎn)環(huán)境對(duì)水分含量要求較為苛刻；4、價(jià)格昂貴。鋰離子電池鋰離子電池的缺點(diǎn)4鋰離子電池的基本原理

一基本原理

在每一次充放電循環(huán)過(guò)程中，鋰離子（Li+）充當(dāng)了電能的搬運(yùn)載體，周而復(fù)始的從正極→負(fù)極→正極來(lái)回的移動(dòng)，與正、負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是鋰離子電池的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，并沒(méi)有電子在正負(fù)極之間的來(lái)回移動(dòng)，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。鋰離子電池的基本原理一基本原理5鋰離子電池的基本原理二鋰離子電池的基本構(gòu)成1、正極活性物質(zhì)：三元材料（我公司選用的正極材料）是當(dāng)今使用比較廣泛的正極材料；2、負(fù)極活性物質(zhì)：石墨；3、N-甲基吡咯烷酮：化學(xué)性能穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性好，揮發(fā)性低等；4、去離子水：我司一般使用負(fù)極性配方，成本低廉而且環(huán)保；5、PVDF-聚偏氟乙烯，白色固體，良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性等；6、LA-132：水性膠的一種，具有良好的抗氧化和抗還原能力；7、Super-P：即炭黑，導(dǎo)電性好；8、鋁箔：良好的導(dǎo)電性能和延展性能；9、銅箔：我司使用的基材厚度一般為0.012mm和0.009mm；10、隔膜：主要材質(zhì)是PP或PE；11、電解液：在電池中起到傳導(dǎo)鋰離子的作用。鋰離子電池的基本原理二鋰離子電池的基本構(gòu)成1、正極活性物質(zhì)6鋰離子電池的基本原理三鋰離子電池的制造工藝鋰離子電池的制作工藝根據(jù)鋸片裝配方式的不同，分為卷繞和疊片兩種工藝路線。1、疊片工藝：是將正極、負(fù)極切成小片與隔離膜疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來(lái)，組成一個(gè)大電芯的制造工藝，其大體工藝流程如下：鋰離子電池的基本原理三鋰離子電池的制造工藝鋰離子電池的制作7鋰離子電池的基本原理三鋰離子電池的制造工藝2、卷繞工藝：是將正負(fù)極片、隔離膜、正負(fù)極耳、保護(hù)膠帶、終止膠帶等物料固定在設(shè)備上，設(shè)備經(jīng)過(guò)放卷完成電芯制作。鋰離子電池的基本原理三鋰離子電池的制造工藝2、卷繞工藝：是8鋰離子電池的主要參數(shù)指標(biāo)1、容量：使用時(shí)有額定容量和實(shí)際容量的區(qū)別。額定容量是指滿充的鋰離子電池在實(shí)驗(yàn)室條件下（比較理想的溫濕度環(huán)境），以某一特定的放電倍率（C）放電到截止電壓時(shí)，所能夠提供的總的電量。實(shí)際容量一般都不等于額定容量，它與溫度、濕度、充放電倍率等直接相關(guān)。一般情況下，實(shí)際容量比額定容量偏小一些，有時(shí)甚至比額定容量小很多，比如北方的冬季，如果在室外使用手機(jī)，電池容量會(huì)迅速下降。2、能量密度，指的是單位體積或單位重量的電池，能夠存儲(chǔ)和釋放的電量，其單位有兩種：Wh/kg，Wh/L，分別代表重量比能量和體積比能量?；诋?dāng)前的鋰離子電池技術(shù)，能夠達(dá)到的能量密度水平大約在100~200Wh/kg，這一數(shù)值還是比較低的，是鋰離子電池應(yīng)用的瓶頸。3、充放電倍率：這個(gè)指標(biāo)會(huì)影響鋰離子電池工作時(shí)的連續(xù)電流和峰值電流，其單位一般為C。4、電壓：有開(kāi)路電壓、工作電壓、充電截止電壓、放電截止電壓等一些參數(shù)，電池的開(kāi)路電壓和工作電壓，與電池的容量存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。5、壽命：鋰離子電池的壽命會(huì)隨著使用和存儲(chǔ)而逐步衰減，并且會(huì)有較為明顯的表現(xiàn)。鋰離子電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個(gè)參數(shù)。鋰離子電池的主要參數(shù)指標(biāo)1、容量：使用時(shí)有額定容量和實(shí)際容量9鋰離子電池的主要參數(shù)指標(biāo)6、內(nèi)阻：指電池在工作時(shí)，電流流過(guò)電池內(nèi)部所受到的阻力，內(nèi)阻的單位毫歐（mΩ），內(nèi)阻越小，鋰離子電池的壽命和倍率性能就會(huì)越好。7、自放電：一旦鋰離子電池的自放電導(dǎo)致電池過(guò)放，其造成的影響通常是不可逆的，即使再充電，電池的可用容量也會(huì)有很大損失，壽命會(huì)快速衰減。所以長(zhǎng)期放置不用的鋰離子電池，一定要記得定期充電，避免因?yàn)樽苑烹妼?dǎo)致過(guò)放，性能受到很大影響。8、工作溫度范圍：由于鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)材料的特性，鋰離子電池有一個(gè)合理的工作溫度范圍（常見(jiàn)的數(shù)據(jù)在-40℃~60℃之間），如果超出了合理的范圍使用，鋰離子電池的存儲(chǔ)溫度也是有嚴(yán)格約束的，長(zhǎng)期高溫或低溫存儲(chǔ)，會(huì)對(duì)鋰離子電池的性能造成較大的影響。鋰離子電池的主要參數(shù)指標(biāo)10鋰離子電池的正負(fù)極材料一正極材料鋰離子電池的能量密度、充放電倍率、安全性等一些關(guān)鍵指標(biāo)，主要受制于正極材料。

鋰離子電池正極材料：鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料等，鎳鈷錳三元材料逐漸成為市場(chǎng)的主流。以上僅僅是比較常見(jiàn)的鋰離子電池正極材料，并不代表所有的技術(shù)路線。實(shí)際上，不管是高校和科研院所，還是企業(yè)，都在努力研究新型的鋰離子電池正極材料，希望把能量密度和壽命等關(guān)鍵指標(biāo)提升到更高的量級(jí)。當(dāng)然，如果要在2020年達(dá)到250Wh/kg，甚至300Wh/kg的能量密度指標(biāo)，現(xiàn)在商業(yè)化應(yīng)用的正極材料都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，那么正極材料就需要比較大的技術(shù)變革，如改變層狀結(jié)構(gòu)為尖晶石結(jié)構(gòu)的固溶體類材料，以及有機(jī)化合物正極材料等，都是目前比較熱門的研究方向。

鋰離子電池的正負(fù)極材料一正極材料11鋰離子電池的正負(fù)極材料二負(fù)極材料

鋰離子電池負(fù)極材料的種類繁多，根據(jù)化學(xué)組成可以分為金屬類負(fù)極材料（包括合金）、無(wú)機(jī)非金屬類負(fù)極材料及金屬氧化物類負(fù)極材料。就當(dāng)前的市場(chǎng)而言，在大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用方面，負(fù)極材料仍然以碳材料為主，石墨類和非石墨類碳材料都有應(yīng)用。在汽車及電動(dòng)工具領(lǐng)域，鈦酸鋰作為負(fù)極材料也有一定的應(yīng)用，主要是具有非常優(yōu)異的循環(huán)壽命、安全性和倍率性能，但是會(huì)降低電池的能量密度，因此不是市場(chǎng)主流。其他類型的負(fù)極材料，除了SONY在錫合金方面有產(chǎn)品推出，大多仍以科學(xué)研究和工程開(kāi)發(fā)為主，市場(chǎng)化應(yīng)用的比較少。鋰離子電池的正負(fù)極材料二負(fù)極材料12鋰離子電池的能量密度

能量密度是制約當(dāng)前鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸。針對(duì)能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國(guó)都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國(guó)政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標(biāo)，基本上都指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當(dāng)于在當(dāng)前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。提高能量密度努力的方向：1、提高正極活性物質(zhì)的占比。提高鋰元素的占比，在同一個(gè)電池化學(xué)體系中，鋰元素的含量上去了（其他條件不變），能量密度也會(huì)有相應(yīng)的提升；2、提高負(fù)極活性物質(zhì)的占比。是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負(fù)極活性物質(zhì)來(lái)容納游過(guò)來(lái)的鋰離子，存儲(chǔ)能量。3、提高正極材料的比容量（克容量）。在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學(xué)反應(yīng)，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對(duì)于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標(biāo)要高。鋰離子電池的能量密度能量密度是制約當(dāng)前鋰離13鋰離子電池的能量密度4、提高負(fù)極材料的比容量。以質(zhì)量更少的負(fù)極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達(dá)到提升能量密度的目標(biāo)。5、減重瘦身。除了正負(fù)極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個(gè)電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時(shí)不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個(gè)系統(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開(kāi)發(fā)新材料和新化學(xué)體系這幾個(gè)方面入手，尋找短期、中期和長(zhǎng)期的解決方案。鋰離子電池的能量密度4、提高負(fù)極材料的比容量。以質(zhì)量更少的負(fù)14鋰離子電池的充放電倍率

鋰離子電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲(chǔ)到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來(lái)。當(dāng)然，這個(gè)存儲(chǔ)和釋放的過(guò)程是可控的，是安全的，不會(huì)顯著影響電池的壽命和其他性能指標(biāo)。鋰離子電池的充放電倍率性能，與鋰離子在正負(fù)極、電解液、以及他們之間界面處的遷移能力直接相關(guān)，一切影響鋰離子遷移速度的因素，都會(huì)影響鋰離子電池的充放電倍率性能。此外，電池內(nèi)部的散熱速率，也是影響倍率性能的一個(gè)重要因素，如果散熱速率慢，大倍率充放電時(shí)所積累的熱量無(wú)法傳遞出去，會(huì)嚴(yán)重影響鋰離子電池的安全性和壽命。因此，研究和改善鋰離子電池的充放電倍率性能，主要從提高鋰離子遷移速度和電池內(nèi)部的散熱速率兩個(gè)方面著手。鋰離子電池的充放電倍率鋰離子電池的充放電倍15鋰離子電池的充放電倍率1.提高正、負(fù)極的鋰離子擴(kuò)散能力鋰離子在正/負(fù)極活性物質(zhì)內(nèi)部的脫嵌和嵌入的速率，也就是鋰離子從正/負(fù)極活性物質(zhì)里面跑出來(lái)的速度，或者從正/負(fù)極表面進(jìn)入活性物質(zhì)內(nèi)部找個(gè)位置“安家”的速度到底有多快，這是影響充放電倍率的一個(gè)重要因素。2.提高電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率鋰離子在正/負(fù)極材料里面玩的是賽跑，在電解質(zhì)里面的比賽項(xiàng)目卻是游泳。3.降低電池的內(nèi)阻不同材料不同形狀的導(dǎo)電劑、正負(fù)極的集流體（極耳）、電解質(zhì)與正負(fù)極材料的浸潤(rùn)程度、電解質(zhì)膜的變化等都會(huì)對(duì)電池內(nèi)阻產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其倍率性能。鋰離子電池的充放電倍率1.提高正、負(fù)極的鋰離子擴(kuò)散能力16鋰離子電池的循環(huán)壽命

循環(huán)壽命的衰減，其實(shí)也就是電池當(dāng)前的實(shí)際可用容量，相對(duì)于其出廠時(shí)的額定容量，不斷下降的一種變化趨勢(shì)。影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素有以下幾種：1、金屬鋰的沉淀原因：充電超過(guò)截止電壓；大倍率充電；負(fù)極材料不足。危害：金屬鋰的沉積，不但會(huì)造成循環(huán)壽命的下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極短路，造成嚴(yán)重的安全問(wèn)題。措施：要解決這個(gè)問(wèn)題，就需要合理的正負(fù)極材料配比，同時(shí)嚴(yán)格限定鋰電池的使用條件，避免超過(guò)使用極限的情況。當(dāng)然，從倍率性能著手，也可以局部改善循環(huán)壽命。2、正極材料分解在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，分解產(chǎn)生一些電化學(xué)惰性物質(zhì)（如Co3O4，Mn2O3等）以及一些可燃性氣體，破壞了電極間的容量平衡，造成容量的不可逆損失。危害：影響電池容量，還會(huì)造成嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。措施：除了嚴(yán)格限定電池的充電截止電壓之外，提高正極材料的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，也是降低循環(huán)壽命下降速度的可行方法。鋰離子電池的循環(huán)壽命循環(huán)壽命的衰減，其實(shí)也就17鋰離子電池的循環(huán)壽命3、電極表面的SEI膜危害：SEI膜的形成過(guò)程會(huì)消耗電池中的鋰離子，并且SEI膜并不是穩(wěn)定不變的，SEI膜有一定的厚度，不利于鋰離子在負(fù)極材料的擴(kuò)散，這也會(huì)造成電池容量的下降。4、電解質(zhì)的影響原因：電解質(zhì)中含有活潑氫的物質(zhì)和鐵、鈉、鋁、鎳等金屬離子雜質(zhì)，電解質(zhì)中含有一定量的水，造成電池循環(huán)壽命下降。措施：選擇合適的電解質(zhì)。5、隔離膜阻塞或損壞原因：隔離膜逐漸干涸失效引起的電池早期性能衰退。6、正負(fù)極材料脫落措施：粘結(jié)劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和電池良好的機(jī)械性能，能延緩電池循環(huán)壽命的下降速度。7、外部使用因素鋰離子電池有合理的使用條件和范圍。但是在實(shí)際使用當(dāng)中，超出允許范圍的濫用情況非常普遍，長(zhǎng)期的不合理使用，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，造成電池機(jī)理的破壞，加速電池的老化，造成循環(huán)壽命的迅速下降，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)造成安全事故。