锂电池原理与应用 课件.ppt

1、20世纪70年代末,以金属锂为负极，氧化钼、氧化钒为正极的锂蓄电池已研发成功；80年代中后期,以聚氧化乙烯(PEO)等导电聚合物为电解质膜的锂二次电池也研发成功。但由于安全可靠性及电压体系等种种因素未能投入商业市场；1991年日本索尼(Sony)公司首次推出的以碳材为负极，以钴酸锂材料为正极的二次锂电池。由于它没有金属锂，称为锂离子电池，成功地解决了锂电池的安全可靠性问题，立即被市场广泛接受并成为笔记本电脑和手机等IT产品的电源。初期的锂离子电池代表产品为18650圆柱型电池,标称容量为1800mAh；90年代中后期，手机采用3.6伏系统，并且已经实现了小型化。要求减少电池的厚度和体积，出现了

2、方形电池。电池厚度变化从10mm减薄至5mm。现在已有3.5mm厚的铝壳手机电池问世；2019年，日本Sony等四家公司几乎同时推出用铝塑薄膜作外壳包装的聚合物锂离子电池。当时电池尺寸为305062，容量为550mAh。经过几年的研 究，聚合物锂离子电池产品其厚度可以从1mm到10mm，容量可以从40mAh到5000mAh；方形聚合物锂离子电池在2000年开始出现批量生产，初期年产量为1100万颗，预计至2019年的年产量可达2.3亿颗，年均增长率为79。预计液态锂离子电池年产量达5亿只。电池尺寸厚度变薄，同时电池重量比能量也大幅度地提升，从130 wh/kg增加到150wh/kg；现在世界上

3、聚合物锂离子电池的重量比能量已提升到180 wh/kg左右的水平，比液态锂离子电池高出10%以上。1.工作原理：工作原理：锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂

4、离子电池反应是一种理想的可逆反应。2.锂离子电池结构：锂离子电池结构：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)、DEC(二乙基碳酸)、1M LiPF6 电导率为6.79 mS/cm，水含量6ppm，HF含量8ppm。隔膜：多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜包装材料：铝塑复合膜电性能电性能(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。如锂离子电池的开

5、路电压为4.1V，铅酸蓄电池为2.1V。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，

6、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；注：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；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。(三)、内阻 电池内阻包括欧姆电阻(R)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

7、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=sJ 式中 RM是隔膜电阻；s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。为比较相同系列不同型号的化学电源的内阻，引入比内阻(Ri)的概念，即单位容量下电池的内阻。Ri Ri/C 式中Ri为比内阻，C为电池容量，Ri为电池内阻。(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

8、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 tV工作=V开路I Ri3.比能量 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。瑞宝聚合物锂离子电池重量比能量为170-190 wh/kg,已达到国外公司同等产品水平。(五五)、20放电性能放电性能1.0.2C5A放电性能放电性能 电池按充电制式规定充电后搁置0.5h1h，在20 5 的温度下，以0.2

9、C5A电流放电到终止电压，放电时间应不低于5h。2.1C5A放电性能放电性能 电池按充电制式规定充电后搁置0.5h1h，在205 的温度下，以1C5A电流放电到终止电压，放电时间应不低于51min。3.高温性能高温性能 电池按充电制式规定充电结束后，将电池放入552的高温箱中，然后以1C5A电流放电至终止电压，放电时间应不低于51min。该试验结束后，将电池取出在环境温度205 的条件下搁置2h，然后目测电池外观，应无变形、无爆裂。4.低温性能低温性能 电池按充电制式规定充电结束后，将其放入 -202 的低温箱中1624h后，以0.2C5A电流放电至终止电压，放电时间应不低于3.5h。该试验结

10、束后，将电池取出在环境温度205 的条件下搁置2h，然后目测电池外观，电池外观应无变形、无爆裂。5.荷电保持能力荷电保持能力 电池按充电制式规定充电结束后，在环境温度为205 的条件下，将电池开路搁置28d，再以0.2C5A电流进行放电至终止电压，放电时间应不低于4.25h。机械性能1.振动振动 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10Hz55Hz循环扫频震动30min，扫频速率为1oct/min；振动频率：10Hz30Hz 位移幅值（单振幅）0.38mm 振动频率：30Hz55H

11、z 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n3.6V。2.碰撞碰撞l电池振动试验结束后，将电池平均按X.Y.Z三个相互垂直轴向直接或通过夹具坚固在台面上，按下述要求调好加速度、脉冲持续时间，进行碰撞试验。脉冲峰值加速度 100m/s2 每分钟碰撞次数 4080脉冲持续时间 16ms 碰撞次数 100010 碰撞结束后将电池自实验台取下，电池外观应无明显损伤、漏液、冒烟或爆炸，电池电压应不低于n3.6V。3.自由跌落自由跌落 电池碰撞试验结束后，将电池样品由高度（最低点高度）为1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的18mn20mn

12、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。4.重物冲击重物冲击 电池放置于冲击台上，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。5 热冲击热冲击 电池放置于热箱中，温度以（52）/min的速率升至15020并保温30min，电池应不起火、不爆炸安全性能安全性能1.过充电保护过充电保护 电池按充电制

13、式规定充电结束后，用恒流恒压源持续给电池加载8h,恒流恒压源电压设定为2倍标称电压，电流设定为2C5A的外接电流，电池应不爆炸、不起火、不冒烟或漏液。2.过放电保护过放电保护 电池在环境温度205的条件下，以0.2 C5A放电至终止电压后，外接（30n）负载放电24h，电池应不爆炸、不起火、不冒烟或漏液。3.短路保护短路保护 电池按充电制式规定充电之后，将正负极用0.1电阻器短路，电池应不爆炸、不起火、不冒烟或漏液。将正负极断开，电池以1C5A电流充电5s后用电压表测量电池电压，电池电压应不小于n3.6V。4.恒定湿热性能恒定湿热性能 电池按充电制式规定充电结束后，将电池放入402，相对湿度为

14、90%95%的恒温恒湿箱中搁置48h后，将电池取出在环境温度205 的条件下搁置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。贮存性能贮存性能1.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。2.在环境温度205 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，搁置0.5h1h，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30

15、0次。循环寿命及其影响因素循环寿命及其影响因素 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。v薄，轻，容量大和任意形状；v高能量密度140-180Wh/Kg(其它充电电池：120-160Wh/Kg)；v大容量单体电池，免除并联v荷电保持能力强。在205下贮存30天后，电池的常温放电容量可达到额定

16、容量的85以上；v循环使用寿命长。连续充放电500次后，电池的容量依然不低于额定值的80；v安全性高。该电池具有在短路、过充、过放、冲击(10kg重物自1m高自由落体)、振动、枪击、针刺(穿透)、高温(150)等状态下不起火、不爆炸等特点；v无环境污染。它不含有镉、铅、汞这类有害物质，是一种洁净的“绿色”能源；v无记忆效应。可随时进行充、放电使用。v比能量高。是镉镍电池的5倍，是镍氢电池的2倍 电池类型酸性电池镍镉电池镍氢电池液态锂电池聚合物锂电池安全好好好好优秀工作电压(V)21.21.23.73.7重量能量比 (Wh/kg)354150-80120-160140-180体积能量比(Wh/l

17、)80120100-200200-800320电池类型酸性电池镍镉电池镍氢电池液态锂电池聚合物锂电池循环寿命300300500500500工作温度 ()-2060-2060-2060-2060-2060自放电10103055记忆效应无有无无无毒性有毒有毒轻毒轻毒五毒形状固定固定固定固定任意l聚合物锂离子电池的典型应用主要有移动电话、笔记本电脑、手持电脑、个人数字助理(PDA)、MP3、智能卡、手表、耳机、DVD和VCD播放器、HEVs等等。用电器具比例(%)手 机51.0笔记本电脑38.9摄放一体机8.9其它1.2年份手 机笔记本电脑201927402019335720193667201942

18、67 近年来，随着电子产品向小型化、微型化的迅速发展，对电池产品提出了更高的要求。由于锂离子电池优良的综合性能适应了这种要求，所以锂离子电池生产的增长势头非常迅猛。从世界范围来讲，主要发达国家都在生产和研发新型锂离子电池，其中日本占主要地位。近几年来中国锂离子电池发展也异常迅速，年产量已经超过1亿颗以上，再过几年有可能超过日本，成为世界锂离子电池生产大国。公司Cd/Ni MH/Ni Li-ion 聚合物Li-ion松下22%27%18%三洋40%35%20%5%索尼18%65%东芝15%10%中国比亚迪天津力神19%10%4%10%o原材料国产化降低成本o采用新材料及新工艺进一步提高电池性能o

19、进一步优化设计，提高电池比能量o采用复合隔膜提高电池的安全性o开发胶态聚合物锂离子电池，提高电池的安全性o设计研发新型多功能保护线路板，提高组合电池的安全及可靠性由于电芯属于软包装，为保证电芯的性能不受损害，必须小心对电芯进行 操作。1.1 铝塑包装膜材料铝塑包装膜材料易被尖锐部件刺损，诸如镍片，尖针。禁止用尖锐部件碰撞电池应清洁工作环境，避免有尖锐部件存在1.2 顶封边顶封边非常容易收到损害禁止弯折顶封边1.3 折边折边在电池生产过程中已完成，并通过了密封测试。禁止打开或破坏折边。1.4 极耳极耳的机械强度并非异常兼顾，特别是铝极耳。禁止弯折极耳1.5 机械撞击禁止坠落、冲击、弯折电芯1.6

20、 短路任何时候禁止短路电芯，它会导致电芯严重损坏。2.其它事项2.1 防止电池包装内产生短路引线与电芯之间要有足够的绝缘层以保证绝对安全。外壳内不得有任何短路发生，以防止冒烟或着火。2.2 严禁拆卸电芯1)在任何情况下不得拆卸电芯2)电解液有害聚合物锂电池理论上不存在流动的电解液，但万一有电解液泄漏而接触到皮肤、眼睛或身体其它部位，应立即用清水冲洗电解液并就医。2.3 严禁将电芯投入火中在任何情况下，不得燃烧电芯或将电芯投入火中，否则会引起电芯爆炸，这是非常危险的，应绝对禁止。2.4 严禁将电芯浸入液体中，如水不得将电芯浸泡液体，如淡水、海水、饮料(果汁、咖啡等)。2.5 电芯的更换更换电芯应由电芯供应商或设备供应商完成，用户不得自行更换。2.6 禁止使用已损坏的电芯电芯在运输过程中可能因撞击等原因而损坏，若发现电芯有任何异常特征，如电芯塑料封边损坏，外壳破损，闻到电解液气体，电解液泄漏等，该电芯不得使用。有电解液泄漏或散发电解液气味的电池应远离火源以避免着火或爆炸。