锂离子电池安全培训ppt课件(同名738).ppt
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1、SZYSPXSZYSPX2014.03. .锂离子电池的生产安全锂离子电池的生产安全SZYSPXSZYSPX2014.03. .内内 容容一、事故警示一、事故警示二、锂离子电池基本概念二、锂离子电池基本概念三、生产过程的危险与有害因素辨识三、生产过程的危险与有害因素辨识四、锂离子电池组装的安全要求四、锂离子电池组装的安全要求SZYSPXSZYSPX2014.03. .安安理理全全管管培培课课训训基本概念基本概念SZYSPXSZYSPX. .锂电池事故案例1:2010年10月11日23时35分,电池公司客户退回的锂电池在存放处发生自燃起火,工人用灭火器扑救后再次发生起火,过火面积50平方米左右。
2、案例2:2012年2月19日11时40分许,位于深圳公司三楼清洗房发生发生火灾,火灾中一批手机锂电池被烧毁,两名工人因吸入浓烟感到不适送医院治疗。案例3:2012年8月22日,位于公司,电器线路着火引发火灾事故,将三楼车间多台设备烧坏。案例4:2012年10月10日13时35分, 位于公司的二楼仓库发生火灾事故,15时30分左右扑灭,无人员伤亡,将存放在库房中的锂电池烧,损失400万元。案例5:2012年11月28日22时44分公司老化房起火,烧毁多个货柜式老化房,待电池一批。SZYSPXSZYSPX. .2012 20122012年年2 2月月1919日日1111时时4040分许,位于深圳市
3、某公司三楼分许,位于深圳市某公司三楼清洗房发生发生火灾清洗房发生发生火灾, ,火灾中一批手机锂电池被烧毁,两火灾中一批手机锂电池被烧毁,两名工人因吸入浓烟感到不适送医院治疗。名工人因吸入浓烟感到不适送医院治疗。 案例一案例一:“2 21919”深圳某电池厂火灾事故深圳某电池厂火灾事故SZYSPXSZYSPX. .案例二:“10.22”龙岗电池厂火灾事故 2012年10月22日龙岗电池厂因值班人员擅离岗位,使的老化电池短路发热而无人知晓,最后发生火灾。n储存区储存区老化区老化区n充电检测区充电检测区SZYSPXSZYSPX. .SZYSPXSZYSPX. .案例三:“10.10”龙岗电池厂火灾事
4、故 2012年10月10日13时35分, 位于公司的二楼仓库发生火灾事故,15时30分左右扑灭,无人员伤亡,将存放在库房中的锂电池烧掉,损失400万元。SZYSPXSZYSPX2014.03. .安安理理全全管管培培课课训训基本概念基本概念SZYSPXSZYSPX. .10电池(电池(battery) 电池是指通过正负极之间的电化反应将化学能转化为电能的装置。 充电时,将电能转化为化学能进行储存。 放电时,将化学能转化为电能释放,作为电源供用电器。 活性物质:电池充放电时,能进行氧化或还原反应而产生电能和储存化学能的电极材料。SZYSPXSZYSPX. .11什么叫锂离子电池?什么叫锂离子电池
5、?Li-Ion batteryLi-Ion battery 锂离子电池是指Li+ 嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2 、LiXMnO2 、LiFePO4和三元复合材料。负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。 在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,被形象的称为“摇椅电池”。 充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态。 放电时则相反。SZYSPXSZYSPX. .12 SZYSPXSZYSPX. .二次锂电池的构造SZYSPXSZYSPX. .14SZYSPXSZYSPX. .15SZYSPXSZYSPX. .16S
6、ZYSPXSZYSPX. .17锂离子电池结构锂离子电池结构 正极正极 活性物质活性物质 导电剂、溶剂、粘合剂、基体导电剂、溶剂、粘合剂、基体 负极负极 活性物质活性物质(石墨、(石墨、MCMB、CMS) 粘合剂、溶剂、基体粘合剂、溶剂、基体 隔膜隔膜 电解液电解液 外壳五金件外壳五金件(钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片、绝缘胶带)(钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片、绝缘胶带)SZYSPXSZYSPX. .18锂离子电池结构锂离子电池结构正极正极正极基体:铝箔(约正极基体:铝箔(约0.016mm厚厚)正极物质:正极物质:LiFePO4+碳黑碳黑+PVDF正极集流体:铝带(约正极集流体:铝带(约0.
7、1mm厚)厚)高温胶带(约高温胶带(约0.05mm厚)厚)电池放电时从外电路获得电子的电极,此时电极发生还原反应。通常是电位高的电极。锂离子电池中的钴酸锂、锰酸锂电极等。SZYSPXSZYSPX. .19正极: 主要材料包括活性物质、黏结剂、导电剂 钴酸锂或锰酸锂:参与电化学反应的活性材料导电剂:提高电极的导电性,如CB、KS、SS、SP、和LSTM黏结剂: 把活性材料和导电剂黏结在铝箔(15和20微米厚)之上如 PVDF1300, 1700等 正极材料需要做成有一定粘度的浆料涂覆在具有集流作用的载体上,并且能够与之紧密粘接,同时正极活性物质为半导体,导电性不好,因此需要加有一定量导电剂以增加
8、正极的导电性,降低电池的内阻,因此正极中除需要有活性物质外还需要有导电剂、粘接剂、溶解粘接剂的溶剂等。正极组成SZYSPXSZYSPX. .20锂离子电池结构锂离子电池结构负极负极负极基体:铜箔(约负极基体:铜箔(约0.010mm厚厚)负极物质:石墨负极物质:石墨+CMC+SBR负极集流体:镍带(约负极集流体:镍带(约0.07mm厚)厚)电池放电时向外电路输送电子的电极,此时电极发生氧化反应。通常是电位低的电极,锂离子电池中石墨电极。SZYSPXSZYSPX. .21负极: 主要材料包括活性材料石墨、黏结剂、导电剂活性材料石墨:参与电化学反应的活性材料如:MCMB、P15B HG、 MCF、天
9、然石墨、CMS等导电剂:提高电极的导电性,如SS、SP、LSTM等黏结剂: 把活性材料和导电剂黏结在箔(15和20微米厚)上 ,如PVDF1100、SBR、CMC等 厚度为8微米到18微米的铜箔作为负极集流体。 负极组成SZYSPXSZYSPX. .22电解液电解液溶溶 剂剂锂锂 盐盐添加剂添加剂EC、PC、EMC、DEC等等LiPF6、LiClO4、LiBF4等等防过充添加剂防过充添加剂阻燃剂阻燃剂抑制气体生成抑制气体生成改善改善SEISEI膜性能膜性能控制水和酸含量控制水和酸含量锂离子电池电解液组成示意图锂离子电池电解液组成示意图SZYSPXSZYSPX. .23锂离子电池结构锂离子电池结
10、构电解液电解液锂离子电池所使用的有锂离子电池所使用的有机溶剂机溶剂1.碳酸酯类2.羧酸酯类3.醚类有机溶剂4.含硫有机溶剂SZYSPXSZYSPX. .SZYSPXSZYSPX. .25锂离子电池结构锂离子电池结构隔膜隔膜l材质:单层材质:单层PEPE(聚乙烯)或者(聚乙烯)或者 三层复合三层复合PPPP(聚丙烯)(聚丙烯) +PE+PP+PE+PPl厚度:单层一般为厚度:单层一般为0.0160.0160.020mm0.020mm 三层一般为三层一般为0.0200.0200.025mm0.025mm隔膜是放置于两极之间,作为隔离电极的装置,藉以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路。
11、但隔膜仍需能让带电离子通过,以形成通路。 隔膜要求:离子透过度大 机械性强度适当 本身为绝缘体 不与电解液及电极发生反应 SZYSPXSZYSPX. .26电池外壳电池外壳锂离子电池内部存有参与反应的液态电解质,且不允许有水的存在,因此电池要求完成封闭,封装的壳体要求耐电解质及大气的腐蚀,且有一定的耐内部压力的能力,一般采用不锈钢、镀镍钢或铝材,因为铝较轻且易于成型,因此我们主要采用铝壳壳体。电池有正负两极,电池壳体可以作为一极,另外一只需要于壳体绝缘,因此两极之间需要加装绝缘密封垫,电池壳体组件是以激光焊接的方式进行密封的,因此绝缘密封垫还应该具有较好的耐热性能。我们一般选用耐腐蚀性、耐高温
12、性及密封性较好的氟塑料作为电池的绝缘密封垫SZYSPXSZYSPX. .27SZYSPXSZYSPX. .28锂离子电池的工作原理 电池在充电时,锂离子从正极中脱出,通过电解质和隔膜,嵌入到负极中;电池放电时,锂离子由负极中脱出,通过电解质和隔膜,重新嵌入到正极中。在充放电过程中,锂离子在正负极之间嵌入脱出反复运动,实现化学能和电能的相互转化。电池体系中锂永远以离子的形态出现,不会以金属的形态出现,所以这种电池叫做锂离子电池。 锂离子脱出反应式为:LiMO2xLi+Li1-xMO2+xe-负极采用碳电极,从理论上讲,每6个碳原子可吸藏一个锂离子,锂离子嵌入反应式为:xe-+xLi+nCLixC
13、n式中的M为Co,Ni,Mn,Fe等金属元素,C表示负极化合物,如LiC6,TiS2,WO3等等。SZYSPXSZYSPX. .1.锂离子电池的充电特性: 由于锂离子电池要求,其充放电需精密控制,因此,锂离子电池需采用专门的恒流,恒压充电法进行充电。通常恒流充电到4.2V/节,后转入恒压,定时充电,待恒压充电电流降到100mA左右时,终止充电,恒流充电电率为0.1C1.5C(C:当电池额定容量为1000mAh时,则1.0C充电率表示充电电流为1000mA,1.5C充电电流为1500mA,依此类推),只要进入恒压充电状态,充电电流会慢慢降低到零,并停止充电。SZYSPXSZYSPX. .2.锂离
14、子电池的放电特性: 锂离子电池采用恒流连续放电,开始放电时电压均为4.2V/节(单节开路端电压),终止放电电压,通常规定为3.0V(不充许过放电),最低放电压也不能低于2.5V,否则影响电池寿命。对同一电池而言放电电流大小不同,充电时间长短也不同。若用1.0C电流放电到终止电压3.0V约需1h;若用0.2C电流放电,到放电结束约需5 h。可见放电时间长短与电池容量,放电电流大小有关。SZYSPXSZYSPX. .3.锂离子电池的存储特性: 锂离子电池的存储特性是指锂离子长期有储后保持容量的特性及恢复容量等特性。锂离子电池剩余容量与存储时间和存储温度有关,在20环境温度下保存半年,容量可保持在额
15、定值的90%以上,而同一电池在60环境温度下保存一个月后,容量保持仅此有额定容量的80%左右。可见锂离子电池宜在低温下保存,一般用户长期不用的电池宜放在冰箱冷冻室内保存。SZYSPXSZYSPX. .关键-电池充电 (1)充电电压:单只电池最高充电电压为4.2V。(2)充电电流:充电电流应为0.7CmA或更低。 3)充电温度: 应在0C至45C温度范围内进行充电。(4)反极充电:不要对电池进行反极充电。关键-电池放电(1)放电电流: 放电电流应为1CmA或更小 (2)放电温度:应在-20C至60C温度范围内进行放电。(3)放电终止电压: 应避免单只锂离子电池放电电压低于3.0V,过放电会损坏电
16、池性能。关键-电池贮存 锂离子电池应充电30%至50%容量后在室温下贮存。SZYSPXSZYSPX. . 锂电制作的一般流程配浆配浆涂布涂布辊压辊压装配装配注液注液化成化成检测检测出货出货二、锂离子电池生产的主要工艺SZYSPXSZYSPX. .34圆柱型锂离子电池的制造工艺流程圆柱型锂离子电池的制造工艺流程正极配料正极配料来料检验来料检验负极配料负极配料正极涂布正极涂布负极涂布负极涂布正极制片正极制片负极制片负极制片隔隔 膜膜卷卷 绕绕入入 壳壳烘烘 烤烤短路检验短路检验滚滚 槽槽注注 液液封封 口口化化 成成密封性检验密封性检验分分 容容外包装外包装出出 厂厂出厂检验出厂检验湿度控制湿度控
17、制SZYSPXSZYSPX. .35三、锂离子电池的命名三、锂离子电池的命名 锂离子二次电池的命名也分圆柱形和方形、扣式几种锂离子二次电池的命名也分圆柱形和方形、扣式几种: :圆柱形的命名用三个字母和5位数字来表示,前两个字母表示锂离子电池(LI),后一个字母表示圆柱形(R),前两位数字表示以mm为单位的最大直径,后三位数字表示以0.lmm为单位的最大高度,如LIR18500即表示直径为18mm,高50mm的圆柱形锂离子电池。 18mm高度高度50mmLIR18500SZYSPXSZYSPX. .36方形的命名方形的命名用三个字母和6位数字来表示,前两个字母表示锂离子电池(LI),后一个字母表
18、示方形(S),前两位数字表示以mm为单位的最大厚度,中间两位数字表示以mm为单位的宽度,后两位数字以mm为单位的最大高度,如LIS043048即表示厚度为4mm,宽30mm,高48mm的方形锂离子电池。 LIS043048高度高度48mm厚度厚度4.0mm宽度宽度30mmSZYSPXSZYSPX. .37锂离子电池用保护线路板锂离子电池用保护线路板 多节电池组保护板 手机电池保护板手机电池保护板SZYSPXSZYSPX2014.03. .安安理理全全管管培培课课训训危险有害因素分析危险有害因素分析SZYSPXSZYSPX. .二次锂电池安全因素1、最主要的因素是目前电池能量密度大电池能量密度大
19、,同样的体积的情况下要得到更高的容量必定会对其安全造成影响,所以我们不一定要求供应商最小的体积做最大的容量。2、过充过充-对电芯过充电,当电压上升到4.6Vcell以上或更高时,电芯本体温度不断升高达到热爆炸的状态,从而发生破裂,冒烟,起火,爆炸的危险。3、短路短路-因为电池容量大内部电阻低,所以外部短絡时通过大的电流,电池内部达到热爆炸的状态,从而发生破裂,冒烟,起火的危险。4、因为电解液电解液主要是由有机溶剂有机溶剂组成的,所以有燃烧的可能性。SZYSPXSZYSPX. .1.电解液的溶剂 电解液(电解质盐LiPF6 )溶剂主要组成是碳酸烷基酯,如碳酸二甲酯(DMC),碳酸二乙酯(DEC)
20、,碳酸甲乙酯(EMC)等,都是沸点很低的可燃液体,遇火易燃烧 。 六氟磷酸锂(LiPF6) 有腐蚀作用。不可燃性,加热和酸类进行反应会产生有害的氟化氢(腐蚀性)。氟化氢和金属反应会产生爆炸性的气体。 产生火花点燃电解液,进而殃及塑料机身和与之接触的易燃物,造成火灾; 引起电池内温度急骤上升,电池内空间很狭小,可能因压力增加而爆炸; 电池内温度上升较慢,电池外壳逐渐溶化,使有腐蚀性的电解液泄漏。锂电池生产危险性锂电池生产危险性SZYSPXSZYSPX. .2.储电的负极 充好电的负极储存了多量的强还原性物质碳化锂(嵌层化合物等),LiC6的电位接近3.0V,还原剂与金属锂差不多,遇水即可燃烧。
21、SZYSPXSZYSPX. .3.枝晶 在一些设计或制作不好的锂电池中,长期循环会形成枝晶,锂金属沉积出来,形成粉末状单质(通常是电极边缘的灰黑色粉末),遇到空气即可燃烧,非常危险。 SZYSPXSZYSPX. .4.内部短路 当电池的正负极之间隔膜被意外刺破(如枝晶生长,外力作用)导致正负极直接连通时,即为内部短路,大量能量在电池内部释放,很容易燃烧或爆炸。 要求其厚度,厂家,空气渗透性(隔膜中孔的曲折程度,空气渗透性稳定,有利于提高锂离子电池的循环性能 ),孔隙率(适当的孔隙率能保证隔膜吸附足够的电解液,提高离子电导率 ),自闭温度,熔融温度,热性能,力学性能(隔膜的抗拉强度应保证在电池卷
22、绕时不被拉断 ),电导率SZYSPXSZYSPX. .安全性的内部因素-微短路 主要由正负极片上微粉或凸点刺穿隔膜, 引起电芯内部短路造成. 轻微的将造成自放电率高 严重的将造成电池爆炸极粉刺穿隔膜造成电池爆炸极粉刺穿隔膜造成电池爆炸SZYSPXSZYSPX. .安全性的内部因素-极粉内短路 内层负极片掉粉刺穿隔膜, 造成电芯鼓胀SZYSPXSZYSPX. .安全性的内部因素-电芯内部短路 主要由于电芯极耳过长, 与极片或与壳体接触造成短路. 或极耳压迫卷芯, 导致正负极短路. 引起电芯发烫, 严重时会导致爆炸.SZYSPXSZYSPX. .内短路防范措施电池结构设计优化 在关键工序使用自动化
23、设备和改善工夹具 通过严格存储条件筛除微短路和内短路电芯同时材料体系的稳定性也有助于安全性的改善.SZYSPXSZYSPX. .微短路和内短路电芯的筛除 自放电严重的电芯有安全隐患 半荷电电芯, 正常情况下, 开路电压大约1个月 压降为15-20mV, 2 个月的压降为25-35mV, 半年压降为50-60mV. 通过严格存储条件, 可把有微短路和内短路隐患的 电芯筛除.SZYSPXSZYSPX. .49SZYSPXSZYSPX. .5.电解液分解 在多种情况下,锂电池的电解液会产生气体,如电解液在循环充放电的过程中,不断与电极互相作用可能产生分解放出; 电解液中带有水分等杂质时,在充电时水分
24、或酸被分解产生气体; 电解质盐LiPF6在高温下也可能分解,分解放出气体等等。这种气体在电池内部会形成压力,积累太多可能导致电池变形、泄漏甚至爆炸。 SZYSPXSZYSPX. .6.外壳破坏 液锂电池通常用钢壳或铝壳封装锂离子电池。通常情况下没有什么问题,外壳也比较坚固。但在某些情况下,如充电设备或保护电路出现故障产生过充电,电池内部隔膜被刺穿导致内部短路等,导致电池内部温度迅速上升,压力也急剧增加,这时可能出现安全阀失灵或来不及动作,就会发现具破坏力的爆炸。对于铝塑复合膜包装的电池,如果包装膜被刺破、割破,可能发生电解液的泄漏。 SZYSPXSZYSPX. .7.过充电 锂离子电池中在某些
25、情况下,如外部电路故障或未使用保护时,则可能因为各种原因产生气体:1)正极被过度放电而释放O2,同时电极材料转变成不能再充电的形态,容量会明显下降。2)电解液分解。这是产生气体的主要原因。可能产生的气体有二氧化碳,一氧化碳,甲烷,乙烷,乙烯等。3)其它原因。如温度高时电解液汽化本身的蒸汽,添加剂产生的副反应等。 过充电(电压)/外短路/过温: 150度 30 分钟以上几种情况均有可能导致电池发生安全性事故SZYSPXSZYSPX. .过充安全性 主要与电芯正极材料有关. LiCoO2 在4.2V 时, 结构不稳定并放出氧气. 同时电解液在4.2V 时分解, 与LiCoO2反应产生大量热. 导致
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