鋰離子動力電池基本知識

關于鋰離子動力電池基本知識12大綱電池分類電池術語與及使用基本常識磷酸鐵鋰動力電池之結構磷酸鐵鋰動力電池之應用領域磷酸鐵鋰動力電池之工藝流程磷酸鐵鋰動力電池之生產(chǎn)設備鋰離子電池之性能指標第2頁,共52頁，星期六，2024年，5月3電池種類劃分一次電池小型二次電池：鎳鎘、鎳氫、鋰離子鉛酸電池動力電池燃料電池太陽能電池-地面光伏發(fā)電其他新型電池第3頁,共52頁，星期六，2024年，5月4電池術語與及使用基本常識第4頁,共52頁，星期六，2024年，5月5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。第5頁,共52頁，星期六，2024年，5月6內(nèi)阻電流通過電池內(nèi)部時受到阻力，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(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學極化與濃差極化。內(nèi)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。

第6頁,共52頁，星期六，2024年，5月7負載能力當電池的正負極兩端連接在用電器上時，帶動用電器工作時的輸出功率，即為電池的負載能力。第7頁,共52頁，星期六，2024年，5月8內(nèi)壓指電池的內(nèi)部氣壓，是密封電池在充放電過程中產(chǎn)生的氣體所致，主要受電池材料、制造工藝、電池結構等因素影響。其產(chǎn)生原因主要是由于電池內(nèi)部水分及有機溶液分解產(chǎn)生的氣體于電池內(nèi)聚集所致。第8頁,共52頁，星期六，2024年，5月9充電率(C-rate)C是Capacity的第一個字母，用來表示電池充放電時電流的大小數(shù)值。例如：充電電池的額定容量為1100mAh時，即表示以1100mAh(1C)放電時間可持續(xù)1小時，如以200mA(0.2C)放電時間可持續(xù)5小時，充電也可按此對照計算。第9頁,共52頁，星期六，2024年，5月10終止電壓(Cut-offdischargevoltage)指電池放電時，電壓下降到電池不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值。根據(jù)不同的電池類型及不同的放電條件，對電池的容量和壽命的要求也不同，因此規(guī)定的電池放電的終止電壓也不相同。第10頁,共52頁，星期六，2024年，5月11開路電壓(OpencircuitvoltageOCV)電池不放電時，電池兩極之間的電位差被稱為開路電壓。電池的開路電壓，會依電池正、負極與電解液的材料而異，如果電池正、負極的材料完全一樣，那么不管電池的體積有多大，幾何結構如何變化，其開路電壓都一樣的。第11頁,共52頁，星期六，2024年，5月12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。第12頁,共52頁，星期六，2024年，5月13放電深度(DepthofdischargeDOD)在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比，稱為放電深度。放電深度的高低和二次電池的充電壽命有很深的關系，當二次電池的放電深度越深，其充電壽命就越短，因此在使用時應盡量避免深度放電。第13頁,共52頁，星期六，2024年，5月14過放電(Overdischarge)電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，還繼續(xù)放電時就可能會造成電池內(nèi)壓升高，正、負極活性物質的可逆性遭到損壞，使電池的容量產(chǎn)生明顯減少。第14頁,共52頁，星期六，2024年，5月15過充電(Overcharge)電池在充電時，在達到充滿狀態(tài)后，若還繼續(xù)充電，可能導致電池內(nèi)壓升高、電池變形、漏夜等情況發(fā)生，電池的性能也會顯著降低和損壞。第15頁,共52頁，星期六，2024年，5月16能量密度(Energydensity)電池的平均單位體積或質量所釋放出的電能。一般在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的2.5倍，是鎳氫電池的1.8倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小，重量更輕。第16頁,共52頁，星期六，2024年，5月17自我放電(Selfdischarge)電池不管在有無被使用的狀態(tài)下，由于各種原因，都會引起其電量損失的現(xiàn)象。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%電池自放電與電池的放置性能有關，其大小和電池內(nèi)阻結構和材料性能有關第17頁,共52頁，星期六，2024年，5月18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%以上第18頁,共52頁，星期六，2024年，5月19放電倍率電池放電電流的大小常用"放電倍率"表示，即電池的放電倍率用放電時間表示或者說以一定的放電電流放完額定容量所需的小時數(shù)來表示，由此可見，放電倍率表示的放電時間越短，即放電倍率越高，則放電電流越大。（放電倍率=額定容量/放電電流）根據(jù)放電倍率的大小，可分為低倍率（<0.5C）、中倍率（0.5-3.5C）、高倍率（3.5-7.0C）、超高倍率（>7.0C）如：某電池的額定容量為20Ah，若用4A電流放電，則放完20Ah的額定容量需用5h，也就是說以5倍率放電，用符號C/5或0.2C表示，為低倍率。第19頁,共52頁，星期六，2024年，5月20充電循環(huán)壽命(Cyclelife)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。第20頁,共52頁，星期六，2024年，5月21記憶效應(Memoryeffect)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，鎘晶粒容易聚集成塊而使電池放電時形成次級放電平臺。電池會儲存這一放電平臺并在下次循環(huán)中將其作為放電的終點，盡管電池本身的容量可以使電池放電到更低的平臺上。在以后的放電過程中電池將只記得這一低容量。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應，使電池的容量變得更低。

要消除這種效應，有兩種方法，一是采用小電流深度放電（如用0.1C放至0V）一是采用大電流充放電（如1C）幾次。鎳氫電池和鋰離子電池均無記憶效應第21頁,共52頁，星期六，2024年，5月22化成電池制造后，通過一定的充放電方式將其內(nèi)部正負極物質激活，改善電池的充放電性能及自放電、儲存等綜合性能的過程稱為化成，電池只有經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)真實性能。第22頁,共52頁，星期六，2024年，5月23分容電池在制造過程中，因工藝原因使得電池的實際容量不可能完全一致，通過一定的充放電制度檢測，并將電池按容量分類的過程稱為分容第23頁,共52頁，星期六，2024年，5月24電池充電方式介紹快速充電：充電電流大于0.2C，小于0.8C則是快速充電。慢速充電：充電電流在0.1C-0.2C之間時，我們稱為慢速充電。涓流充電：充電電流小于0.1C時，我們稱為涓流充電。超高速充電：充電電流大于0.8C時，我們稱之為超高速充電。恒流充電方式：恒流充電法是保持充電電流強度不變的充電。方法，恒流充電器通常使用慢速充電電流?？焖僮詣映潆姺绞剑和ǔＫ褂玫氖怯嘞曳ǔ潆?，也就是說并非用恒定的大電流充電，而是像余弦波那樣電流強度隨之變化，這樣能緩解熱量的積聚，從而將溫度控制在一定范圍內(nèi)。脈沖式充電法：脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)。第24頁,共52頁，星期六，2024年，5月25如何計算充電時間充電時間(小時)=充電電池容量(mAh)/充電電流(mA)*1.5的系數(shù)假如你用1600mAh的充電電池，充電器用400mA的電流充電，則充電時間為:1600/400*1.5=6小時第25頁,共52頁，星期六，2024年，5月26鋰離子電池保護線路——過充電保護過充電保護:過充電保護IC的原理為：當外部充電器對鋰電池充電時，為防止因溫度上升所導致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時，保護IC需檢測電池電壓，當?shù)竭_4.25V時（假設電池過充點為4.25V）即啟動過度充電保護，將功率MOS由開轉為切斷，進而截止充電。第26頁,共52頁，星期六，2024年，5月27鋰離子電池保護線路——過放電保護過放電保護:過放電保護IC原理：為了防止鋰電池的過放電，假設鋰電池接上負載，當鋰電池電壓低于其過放電電壓檢測點（假定為2.5V）時將啟動過放電保護，使功率MOSFET由開轉變?yōu)榍袛喽刂狗烹姡员苊怆姵剡^放電現(xiàn)象產(chǎn)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式，此時的電流僅0.1uA。當鋰電池接上充電器，且此時鋰電池電壓高于過度放電電壓時，過度放電保護功能方可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過放電檢測電路設有延遲時間以避免產(chǎn)生誤第27頁,共52頁，星期六，2024年，5月28什么叫鋰離子電池？鋰離子電池是指Li+

嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極采用鋰化合物LiXCoO2、LiXNiO2、LiXMnO2

或LiFeO4

負極采用鋰-碳層間化合物LiXC6。電解質為溶解有鋰鹽LiPF6

、LiAsF6等有機溶液。在充放電過程中，Li+

在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，被形象的稱為“搖椅電池”。充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)。放電時則相反。第28頁,共52頁，星期六，2024年，5月29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。第29頁,共52頁，星期六，2024年，5月30鋰離子電池結構正極活性物質（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2\LiFeO4)

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）第30頁,共52頁，星期六，2024年，5月31圓柱形鋰離子電池結構圖密封圈限流開關隔膜絕緣墊正極極耳負極極耳正極負極圓柱型第31頁,共52頁，星期六，2024年，5月32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）第32頁,共52頁，星期六，2024年，5月33鋰離子電池結構——負極負極基體：銅箔（約0.015mm厚)負極物質：石墨+CMC+SBR負極集流體：鎳帶（約0.07mm厚）第33頁,共52頁，星期六，2024年，5月34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0.020～0.025mm第34頁,共52頁，星期六，2024年，5月35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(nèi)）。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／cm第35頁,共52頁，星期六，2024年，5月36以磷酸鐵鋰為正級材料的動力電池特點循環(huán)壽命長：循環(huán)壽命高達2,000次以上，為鉛酸的5倍、鎳鎘的4倍以上。放電功率大：放電功率分別為鉛酸、鎳氫電池的6.6、2.5倍，極適用在需要高功率的工具電池，大型動力電池，特別是車用電池部分。充電時間短：充電時間不到2小時，僅需鉛酸電池的1/4、鎳鎘的1/2。

轉換效率佳：轉換效率達95%，優(yōu)于鉛酸的60%、鎳鎘的70%。

輕薄短小：體積重量僅為鉛酸的50%，鎳鎘的70%。

無污染，不含任何對人體有害的重金屬元素；第36頁,共52頁，星期六，2024年，5月37磷酸鐵鋰動力電池的應用領域電動工具類：高功率電動工具（無線）；電錘、電鉆、除草機等；電動自行車(Ebike)市場

電動玩具市場

太陽能LED路燈儲能市場

小型設備醫(yī)療設備：電動輪椅車，電動代步車固定型電源：主要用于通訊、移動基站、電信、鐵路運輸、電力、、金融、發(fā)電廠、計算機系統(tǒng)作為保護、自動控制的備用電源

其它小型電器：礦燈、替代鉛酸,鎳氫,鎳鎘,鋰鈷,鋰錳類電池在小型電器上的應用(2009鎳鎘將全面退出市場)第37頁,共52頁，星期六，2024年，5月38圓柱型磷酸鐵鋰動力組合電池8串4并成品組合電池第38頁,共52頁，星期六，2024年，5月39液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)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第39頁,共52頁，星期六，2024年，5月40配料工藝流程正極干粉處理正極篩漿料正極混干粉正極真空攪拌負極干粉處理負極真空攪拌負極篩粉負極攪拌負極篩漿料正極拉漿負極拉漿正極負極第40頁,共52頁，星期六，2024年，5月41拉漿工藝流程送帶上漿正、負極漿料正、負極裁片烘烤收帶第41頁,共52頁，星期六，2024年，5月42裁片工藝流程正極裁大片正極劃線刮粉正極片輥切負極裁大片負極稱重分檔負極劃線刮粉負極片輥切正極稱重分檔負極吸塵正極制片負極制片第42頁,共52頁，星期六，2024年，5月43制片工藝流程正極真空烘烤正極吸塵正極片輥壓負極真空烘烤負極吸塵負極片輥壓負極貼膠紙正極焊極耳負極焊極耳卷繞卷繞正