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锂离子电芯基础知识(高宏慧)


锂离子电芯 基础知识
讲师:高宏慧

目录
一、锂离子电池名称简介 ? 二、锂离子电池的主要构成 ? 三、电池不良项目及成因 ? 四、锂离子电池的特点 ? 五、锂离子电池的工作原理 ? 六、锂离子电池的性能简介 ? 七、 锂离子电池的广泛用途
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一、
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锂离子电池名称简



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现已广泛被大家使用的锂离子电池是由锂电池发展 而来的。所以在认识锂离子电池之前,我们先来介 绍一下锂电池。 举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属于锂 电池。锂电池的负极材料是锂金属,正极材料是碳 材。按照大家习惯上的命名规律,我们称这种电池 为锂电池。 锂离子电池的正极材料是氧化钴锂,负极材料是 碳材。电池通过正极产生的锂离子在负极碳材中的 嵌入与迁出来实现电池的充放电过程,为了区别于 传统意义上的锂电池,所以人们称之为锂离子电池。

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(1)电池盖 (2)正 极----活性物质为氧化钴锂 (正极构造:LiCoO2(钴酸锂)+ 导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+ 集流体(铝箔) ) (3)隔 膜----一种特殊的复合膜 (4)负 极----活性物质为碳 (负极构造:石墨+导电剂(乙炔黑) +增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体(铜箔) ) (5)有机电解液 (6)电池壳

二、锂离子电池的主要构成

锂离子电池结构

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a.正极:预先锂化的过渡金属氧化物,如钴酸 锂、锰酸锂、镍酸锂等 b.负极:具有特殊结构的碳材,如软碳、硬碳石 墨和石墨化碳纤维等 c.电解液:有机溶剂和锂盐的溶液,例如PC (碳酸 丙烯酯)、EC(碳酸 乙烯酯)、 DMC (二甲基碳酸 酯)、DEC(二乙基碳酸酯)、1M LiPF6 。电导率为 6.79 mS/cm,水含量6ppm,HF含量8ppm。 d.隔膜: 多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜 e.包装材料:铝塑复合膜/铝合金料

锂离子电池的组装过程
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锂离子电池的工艺技术非常严格、复杂,这里只能简单介 绍一下其中的几个主要工序。 (1)制浆 用专门的溶剂和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混 合,经高速搅拌均匀后,制成浆状的正负极物质。 (2)涂膜 将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面,烘干,分别制 成正负极极片。 (3)装配 按正极片--隔膜--负极片--隔膜自上而下的顺序放好,经卷 绕制成电池极芯,再经注入电解液、封口等工艺过程,即完 成电池的装配过程,制成成品电池。 (4)化成 用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试,对 每一只电池都进行检测,筛选出合格的成品电池,待出厂。

三、电池不良项目及成因
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1.容量低 产生原因: a. 附料量偏少; b. 极片两面附料量相差较大; c. 极片断裂; d. 电解液少; e. 电解液电导率低; f. 正极与负极配片未配 好; g. 隔膜孔隙率小; h. 胶粘剂老化→附料脱落; i.卷芯超厚 (未烘干或电解液未渗透)j. 分容时未充满电; k. 正负极材 料比容量小。 2.内阻高 产生原因: a. 负极片与极耳虚焊; b. 正极片与极耳虚焊; c. 正极耳与 盖帽虚焊; d. 负极耳与壳虚焊; e. 铆钉与压板接触内阻大; f. 正极未加 导电剂; g. 电解液没有锂盐; h. 电池曾经发生短路; i. 隔膜纸孔隙 率小。

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3.电压低 产生原因: a. 副反应(电解液分解;正极有杂质;有水); b. 未化成好(SEI膜未形成安全);c. 客户的线路板 漏电(指客户加工后送回的电芯); d. 客户未按 要求点焊(客户加工后的电芯);e. 毛刺; f. 微 短路; g. 负极产生枝晶。 4.超厚 产生超厚的原因有以下几点: a. 焊缝漏气; b. 电解液分解; c. 未烘干水分; d. 盖帽密封性差; e. 壳壁太厚; f. 壳太厚; g. 卷芯太厚(附料太多;极片未压实;隔膜太厚)。

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5.成因有以下几点

a. 未化成好(SEI膜不完整、致密); b. 烘烤温度过高→粘合 剂老化→脱料; c. 负极比容量低; d. 正极附料多而负极附料少; e. 盖帽漏气,焊缝漏气; f. 电 解液分解,电导率降低。
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6.爆炸 a. 分容柜有故障(造成过充); b. 隔膜闭合效应差; c. 内部 短路 7.短路
a. 料尘; b. 装壳时装破; c. 尺刮(小隔膜纸太小或未垫好); d. 卷绕不齐; e. 没包好; f. 隔膜有洞; g. 毛刺 8.断路 a) 极耳与铆钉未焊好,或者有效焊点面积小; b) 连接片断裂(连接片太短或与极片点焊时焊得太靠下)

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2、 电压特性 1)、开路电压:用电压表直接测量的正、负极两 端的电压。 E=V–IR 2)、工作电压范围:2.75 ~ 4.2 volt。 3)、额定电压:3.6 volt。 4)、平均工作电压: 3.72 volt。 5)、影响电压特性的基本因素 (1)、电极材料; (2)、电极配方; (3)、电池设计;

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4、 工作电流: 1)、电极的极化:由于电池电极上有电流通过,导致电 极电位偏离平衡状态。 a、欧姆极化:电池材料的电阻影响。 b、电化学极化:得失电子的难易,导致电极电位偏离平 衡状态。 c、浓差极化:由于离子迁移速度慢,导致电极电位偏离 平衡状态。 2)、极化与电流的关系:ie < ir < ic 3)、工作电流的确定: 《 ic; 2-3 mA/cm2; 4)、影响工作电流的因素: (1)、电极配方,导电材料性能、用量、粘合剂用量。 (2)、极片的面积; (3)、极片压实密度; (4)、钝化膜的厚度;

四、锂离子电池的特点
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高能量密度:锂离子电池与同容量的镍镉或镍氢电池相比较, 质量约减轻一半,同时,锂离子电池的体积比镍镉电池小 35%~45%,比镍氢电池小20%~25%。 高电压:锂离子电池的工作电压相当于三个镍镉电池或镍氢电 池串联组合在一起。 高倍率放电:能够用2C电流持续放电。 无污染:不包含重金属污染物质,如镉、铅、水银等。 安全可靠:具有极高安全性,不受航空禁运条例限制。

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循环寿命长:可达300~500次以上。
无记忆效应,可快速充电 特别是锂聚合物电芯,其安全性更高,且可柔性设计。

锂离子电池的优越性能
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我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传 统的镍镉电池(Ni/Cd)和镍氢电池(Ni/MH)来 讲的。那么,锂离子电池究竟好在哪里呢? (1)工作电压高 (2)比能量大 (3)循环寿命长 (4)自放电率低 (5)无记忆效应 (6)无污染

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以下是镍镉、镍氢、锂离子电池性能的对比: 技术参数 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 工作电压(V) 1.2 1.2 3.6 重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140 体积比能量(Wh/l) 150 200 300 充放电寿命(次) 500 500 1000 自放电率(%/月) 25-30 30-35 6-9 有无记忆效应 有 有 无 有无污染 有 无 无 (注:充电速率均为1C)

五、锂离子电池的工作原理
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大家都已知道,锂离子电池的正极材料是氧化钴锂, 负极是碳。 锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进 行充电时,电池的正极上有锂离子的锂离子越多,充电容量 越高。 同样道理,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过 程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回到正极。回 到正极的锂离子越多,放电容量越高。我们通常所说的电池 容量指的就是放电容量。 不难看出,在锂离子电池的充放电过程中,锂离子处于从 正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形 象地比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子 就象优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。所以,专家 们生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极 的碳呈层状结构,它有很多微孔,到达负极的锂离子就嵌入 到碳层的微孔中,嵌入又给了锂离子电池一个可爱的名字摇 椅式电池。

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充电过程

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如图一个电源给电池充电, 此时正极上的电子e从通过 外部电路跑到负极上,正锂离 子Li+从正极“跳进”电解液里, “爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞, “游泳”到达负极,与早就跑过来 的电子结合在一起。 正极上发生的反应为 LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子) 负极上发生的反应为 6C+XLi++Xe=====LixC6

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电池放电过程 放电有恒流放电和恒阻放电,恒流放电其实是在 外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻, 恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让 电子通过。由此可知,只要负极上的电子不能从 负极跑到正极,电池就不会放电。电子和Li+都是 同时行动的,方向相同但路不同,放电时,电子 从负极经过电子导体跑到正极,锂离子Li+从负极 “跳进”电解液里,“爬过”隔膜上弯弯曲曲的 小洞,“游泳”到达正极,与早就跑过来的电子 结合在一起。

锂离子电池充放电曲线

六、锂离子电池的性能简介
电池性能

电性能

环境适应性

安全性能

贮存性能

循环寿命

电 容 内 压 量 阻

能 量 与 比 能 量

振 动

自 由 跌 落

恒 定 湿 热 性 能

重 热 物 冲 冲 击 击

过 充 电

短 路

挤 压

针 刺

(一)、电性能:
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(一)、电压 1.开路电压:电池与外电路没有接通时,即没有电 流流过时电极之间的电位差,等于正极电位与负极 电位之间的差值。 2.工作电压:又称放电电压或负荷电压,是指电池 对外输出电流时,电池两 极间的电位差。工作电 压总是低于开路电压。 3.终止电压:电池充放电时,电压上升或下降到某 数值,电池不宜再继续充电或放电的工作电压。一 般在充电时,终止电压为4.2V,放电时为 3 .0V或 2 .75V。

(二)、容量
电池容量是电池对用电器输出的电量。单位为 mAh或Ah。容量大小是由正负极中活性物质的数量 多少来决定的。 1.额定容量:在设计和制造电池时,规定电池在一定 放电条件下应该放出的最低限度的电量。 2.比容量:为了对不同的电池进行比较,引入比容量 概念。比容量是指单位质量或单位体积电池所给出 的容量,称为质量比容量或体积比容量。

3.影响电池容量的因素: ? a. 电池的放电速度(通常以电流强度mA 来表示):电流越大,输出的容量减少; ? c.电池的放电终止电压:是由用电器以及 电池反应本身的限定来设定的. 例如:充电 时,终止电压为4.2V,放电时为3 .0V或 2 .75V。 ? d.电池的贮存时间:电池经过长时间贮 存后,电池的放电容量会相应减少。
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a、图中A区(阴影部分)为电池 对外输出的能量;B区为电 池自身损耗的能量。

b.电池的放电温度:温度 降低,输出容量减少;

(三)、内阻 电池内阻包括欧姆电阻(RΩ)和电极在电化学反应 时所表现的极化电阻(Rf )。 欧姆电阻、极化电阻之 和为电池的内阻(Ri )。欧姆电阻由电极材料、电解液、 隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。 <隔膜电阻是当电流流过电解液时,隔膜有效微 孔中电解液所产生的电阻(RM )。 RM=ρs· J 式中 RM是隔膜电阻; ρs是溶液比电阻; J 表征 隔膜微孔结构的因素等。结构因素包括膜厚、孔率、 孔径、孔的 弯曲程度。 >极化电阻Rf是指电化学反应时由极化引起的电 阻,包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。

(四)、能量和比能量 电池在一定条件下对外作功所能输出的电能叫做电池的能量, 单位一般用wh表示。 1.理论能量 电池的放电过程处于平衡状态,放电电压保持电动势(E)数值, 且活性物质利用率为100%,在此条件下电池的输出能量为理 论能量(W0),即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非膨胀功 (W0=C0E)。 2.实际能量 电池放电时实际输出的能量称为实际能量。 W=V工作I t 3.比能量 V工作= V开路-I R

单位质量和单位体积的电池所给出的能量,称质量比能量 或体积比能量,也称能量密度。比能量的单位为wh/kg或 wh/L。 目前聚合物锂离子电池重量比能量为170-190 wh/kg.

(二)、环境适应性
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1. 振动 电池按充电制式规定充电结束后,将电池直接安装或 通过夹具安装在 振动台的台面上,按下面的振动频率和对应的振幅调整好 试验设备,X、 Y、 Z三个方向每个方向上从10Hz~55Hz循环扫频震动 30min,扫频速率为 1oct/min; 振动频率:10Hz~30Hz 位移幅值(单振幅)0.38mm 振动频率:30Hz~55Hz 位移幅值(单振幅)0.19mm 振动结束后电池外观应无明显损伤、漏液、冒烟和爆 炸,电池电压应 不低于n×3.6V。

2. 自由跌落 电池碰撞试验结束后,将电池样品由高度(最低点高度) 为1000mm的位臵自由跌落到臵于水泥地面上的 18mn~20mn厚的硬木板上,从X.Y.Z正负方向(六个方向) 每个方向自由跌落1次。自由跌落结束后,将电池以1C5A 电 流放电至终止电压。然后按规定进行充放电循环,至放电时 间应不低于51min,即可终止充放电循环;充放电循环次数 应不多于3次。电池应不漏液、不冒烟、不爆炸。 3. 恒定湿热性能 电池按充电制式规定充电结束后,将电池放入40℃?2 ℃, 相对湿度为90%~95%的恒温恒湿箱中搁臵48h后,将电池 取出在环境温度20℃?5 ℃的条件下搁臵2h,目测电池外观, 应无明显变形、锈蚀、冒烟或爆炸;再以1C5A电流放电至 终止至电压,放电时间应不低于36min。

1. 重物冲击 电池放臵于冲击台上,将10Kg重锤自1m高度自由落下, 冲击已固定在夹具中的电池(电池的面积最大的面应与台面 垂直),电池允许发生变形,但应不起火、不爆炸。 2. 热冲击 电池放臵于热箱中,温度以( 5℃?2℃) /min 的速率升至 150?20℃并保温30min,电池应不起火、不爆炸 3、过充电 以1C5A恒流充电至电压4.2V, 4.2V恒压充电至电流 ≤0.01C5A,搁臵24h,将接有热电偶的电芯臵于通风橱中, 电压为5V,对电芯以3C5A充电,直至电芯电压为5V,电流 降至接近0A,试验中电芯温度降到比峰值低约10℃,结束试 验,应不起火,不爆炸。

(三)、安全性能

4、短路 以1C5A恒流充电至电压4.2V, 4.2V恒压充电至电流 ≤0.01C5A,搁臵24h,将接有热电偶的电芯臵于通风橱中,短 路正负极,(线路总电阻不大于50mΩ),试验中监视温度 变化,当电芯温度比峰值低约10℃,结束试验,应不起火,不 爆炸,电芯外部温度不得高于150℃。 5、挤压 以1C5A恒流充电至电压4.2V, 4.2V恒压充电至电流 ≤0.01C5A,搁臵24h,将电芯放在两个平面之间,用3000磅 (13KN)的压力对电芯进行挤压,一旦达到此最大压力实验 结束。电芯不得爆炸、起火。 6、针刺 以1C5A恒流充电至电压4.2V, 4.2V恒压充电至电流 ≤0.01C5A,搁臵24h,将电芯平放在保护笼中用尖端直径小 于0.3刺穿部分最大直径为2.0-5.0的钢针在1秒内快速刺穿电 芯.电芯允许发热和有电解液从针孔漏出,但不起火,不爆炸。

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锂离子电池已非常广泛的应用于人们的日常生活中, 所以它的安全性能绝对应该是锂离子电池的第一项考 核指标。对于锂离子电池安全性能的考核指标,国际 上规定了非常严格的标准,一只合格的锂离子电池在 安全性能上应该满足以下条件。 (1)短路:不起火,不爆炸 (2)过充电:不起火,不爆炸 (3)热箱试验:不起火,不爆炸(150℃恒温 10min) (4)针剌:不爆炸(用Ф3mm钉穿透电池) (5)平板冲击:不起火,不爆炸(10kg重物自1M 高处砸向电池) (6)焚烧:不爆炸(煤气火焰烧烤电池)

锂离子电池的安全特性

锂离子电池安全特性是如何实现的?
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为了确保锂离子电池安全可靠的使用,专家们进 行了非常严格、周密的电池安全设计,以达到电池 安全考核指标。 (1)隔膜135℃自动关断保护 采用国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复 合膜。在电池升温达到120℃的情况下,复合膜两 侧的PE膜孔闭合,电池内阻增大,电池内部升温减 缓,电池升温达到135℃时,PP膜孔闭合,电池内 部断路,电池不再升温,确保电池安全可靠。 (2)向电液中加入添加剂 在电池过充,电池电压高于4.2v的条件下,电 液添加剂与电液中其他物质聚合,电池内阻大副增 加,电池内部形成大面积断路,电池不再升温。

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(3)电池盖复合结构 ? 电池盖采用刻痕防爆结构,电池升温时, 电池内部活化过程中所产生的部分气体膨 胀,电池内压加大,压力达到一定程度刻 痕破裂、放气。 ? (4)各种环境滥用试验 ? 进行各项滥用试验,如外部短路、过充、 针刺、平板冲击、焚烧等,考察电池的安 全性能。同时对电池进行温度冲击试验和 振动、跌落、冲击等力学性能试验,考察 电池在实际使用环境下的性能情况。
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四、贮存性能 电池贮存12个月,经完全充电后,0.2C5A放 电时间不小于4h,放电容量约为额定容量的80%, 容量的下降是由于电池的自放电反应所引起的。 五、循环寿命 在环境温度20℃?5 ℃的条件下,以1C5A充电, 当电池端电压达到充电限制电压时,改为恒压充 电,直到充电电流小于或等于20mA,停止充电, 搁臵0.5h~1h,再进行下一个充放电循环,直至 连续两次放电时间小于36min,则认为寿命终止。 循环寿命应不低于300次。

循环寿命及其影响因素
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1. 锂离子电池经历一次充放电,称一个周期。在一定的放电制度 下,电池容量降至规定值之前,电池所经受的循环次数,称为 电池的循环寿命。 2. 影响电池循环寿命的主要因素有: a.在充放电过程中,电极活性物质表面积减少,使工作电流密度 上升,极化增大; b.电极上活性物质脱落或转移; c.电极材料发生腐蚀; d.电池内部短路; e.隔膜损坏和活性物质晶型改变,活性降低。

七、锂离子电池的广泛用途
锂离子电池是一种新型绿色环保电池
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“爱护环境,保护地球”是我们每一个人义不容辞的责 任。如何把我们的环境理念在行动上反应出来呢? 作为电池消费者,应该购买、使用新型绿色环保电池; 作为电池制造商,应该生产新型绿色环保电池。只有经过 大家的共同努力,才能创建、保护我们美丽和谐的自然环 境。 新型绿色环保电池是指近年来已投入使用或正在研制开 发的一类高性能、无污染的电池。目前已经大量使用的锂 离子电池、金属氢化物镍电池和正在推广使用的无汞碱性 锌锰电池以及正在研制开发的锂或锂离子塑料电池、燃料 电池、电化学贮能超级电容器都属于新型绿色环保电池的 范畴。此外,目前已广泛应用的利用太阳能进行光电转换 的太阳电池(又称光伏发电),也属于这一范畴。

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发展高科技的目的是为了使其更好的服 务于人类。锂离子电池自1990年问世以来, 因其卓越的性能得到了迅猛的发展,并广 泛地应用于社会。锂离子电池以其它电池 所不可比拟的优势迅速占领了许多领域, 象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小 型摄像机等等,且越来越多的国家将该电 池应用于军事用途。应用表明,锂离子电 池是一种理想的小型绿色电源。

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Thank you!

问题: ? 1、锂离子电池的主要构成? ? 2、锂离子电池的工作原理? ? 3、电池不良项目有哪些? ? 4、锂电的安全性能是怎样实现的? ? 5、影响电池循环寿命的主要因素?
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