《锂离子动力电池基本知识》.ppt

锂离子动力电池基本知识主讲：时间：地点：1大纲l电池分类l电池术语与及使用基本常识l磷酸铁锂动力电池之结构l磷酸铁锂动力电池之应用领域l磷酸铁锂动力电池之工艺流程l磷酸铁锂动力电池之生产设备l锂离子电池之性能指标2电池种类划分l一次电池l小型二次电池：镍镉、镍氢、锂离子l铅酸电池l动力电池l燃料电池l太阳能电池-地面光伏发电l其他新型电池3电池术语与及使用基本常识4容量l电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。l电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。l理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。l实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。l额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。5内阻l电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。l电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。l电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。l欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。6负载能力l当电池的正负极两端连接在用电器上时，带动用电器工作时的输出功率，即为电池的负载能力。7内压l指电池的内部气压，是密封电池在充放电过程中产生的气体所致，主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。其产生原因主要是由于电池内部水分及有机溶液分解产生的气体于电池内聚集所致。8充电率(C-rate)lC是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值。l例如：充电电池的额定容量为1100mAh时，即表示以1100mAh(1C)放电时间可持续1小时，如以200mA(0.2C)放电时间可持续5小时，充电也可按此对照计算。9终止电压(Cut-off discharge voltage)l指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。l根据不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，因此规定的电池放电的终止电压也不相同。10开路电压(Open circuit voltage OCV)l电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。l电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，如果电池正、负极的材料完全一样，那么不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，其开路电压都一样的。11工作电压l工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。l电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。12放电深度(Depth of discharge DOD)l在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为放电深度。l放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。13过放电(Over discharge)l电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。14过充电(Over charge)l电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。15能量密度(Energy density)l电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。l一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。16自我放电(Self discharge)l电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。l电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率l行业标准锂离子电池月自放电率小于12%l电池自放电与电池的放置性能有关，其大小和电池内阻结构和材料性能有关17放电平台l锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平台l行业标准1C放电平台为70%以上18放电倍率l电池放电电流的大小常用放电倍率表示，即电池的放电倍率用放电时间表示或者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示，由此可见，放电倍率表示的放电时间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大。（放电倍率=额定容量/放电电流）l根据放电倍率的大小，可分为低倍率（7.0C）l如：某电池的额定容量为20Ah，若用4A电流放电，则放完20Ah的额定容量需用5h，也就是说以5倍率放电，用符号C/5或0.2C表示，为低倍率。19充电循环寿命(Cycle life)l电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命l循环寿命与电池充放电条件有关l锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。20记忆效应(Memory effect)l记忆效应是针对镍镉电池而言的，由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。l要消除这种效应，有两种方法，一是采用小电流深度放电（如用0.1C放至0V）一是采用大电流充放电（如1C）几次。l镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应21化成l电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成，电池只有经过化成后才能体现真实性能。22分容l电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容23电池充电方式介绍l快速充电：充电电流大于0.2C，小于0.8C则是快速充电。l慢速充电：充电电流在0.1C-0.2C之间时，我们称为慢速充电。l涓流充电：充电电流小于0.1C时，我们称为涓流充电。l超高速充电：充电电流大于0.8C时，我们称之为超高速充电。l恒流充电方式：恒流充电法是保持充电电流强度不变的充电。方法，恒流充电器通常使用慢速充电电流。l快速自动充电方式：通常所使用的是余弦法充电，也就是说并非用恒定的大电流充电，而是像余弦波那样电流强度随之变化，这样能缓解热量的积聚，从而将温度控制在一定范围内。l脉冲式充电法：脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。24如何计算充电时间l充电时间(小时)=充电电池容量(mAh)/充电电流(mA)*1.5的系数l假如你用1600mAh的充电电池，充电器用400mA的电流充电，则充电时间为:1600/400*1.5=6小时25锂离子电池保护线路过充电保护l过充电保护:过充电保护IC的原理为：当外部充电器对锂电池充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。此时，保护IC需检测电池电压，当到达4.25V时（假设电池过充点为4.25V）即启动过度充电保护，将功率MOS由开转为切断，进而截止充电。26锂离子电池保护线路过放电保护l过放电保护:过放电保护IC原理：为了防止锂电池的过放电，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过放电电压检测点（假定为2.5V）时将启动过放电保护，使功率MOSFET由开转变为切断而截止放电，以避免电池过放电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅0.1uA。当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误27什么叫锂离子电池？l锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。l正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2、LiXMnO2或LiFeO4l负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。l电解质为溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等有机溶液。l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。28锂离子电池电化学反应机理正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-负极反应：C+xLi+xe-=CLix电池总反应：LiCoO2+C=Li1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。29锂离子电池结构l正极活性物质（LiCoO2LiMnO2LiNixCo1-xO2LiFeO4)导电剂、溶剂、粘合剂、基体l负极活性物质（石墨、MCMB)粘合剂、溶剂、基体l隔膜（PP+PE）l电解液（LiPF6+DMCECEMC)l外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）30圆柱形锂离子电池结构图密封圈限流开关隔膜绝缘垫正极极耳负极极耳正极负极圆柱型31锂离子电池结构正极正极基体：铝箔（约0.020mm厚)正极物质：钴酸锂+碳黑+PVDF正极集流体：铝带（约0.1mm厚）32锂离子电池结构负极负极基体：铜箔（约0.015mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR负极集流体：镍带（约0.07mm厚）33锂离子电池结构隔膜l材质：单层PE（聚乙烯）或者三层复合PP（聚丙烯）+PE+PPl厚度：单层一般为0.0160.020mm三层一般为0.0200.025mm34锂离子电池结构电解液l性质：无色透明液体，具有较强吸湿性。l应用：主要用于可充电锂离子电池的电解液，只能在干燥环境下使用操作（如环境水分小于20ppm的手套箱内）。l规格：溶剂组成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6浓度1mol/ll质量指标：密度（25）g/cm31.230.03水分（卡尔费休法）20ppm游离酸（以HF计）50ppm电导率（25）10.40.5mscm35以磷酸铁锂为正级材料的动力电池特点l循环寿命长：循环寿命高达循环寿命长：循环寿命高达 2,000 次以上，为铅酸的次以上，为铅酸的 5倍、倍、镍镉的镍镉的4倍以上。倍以上。l放电功率大：放电功率分别为铅酸、镍氢电池的放电功率大：放电功率分别为铅酸、镍氢电池的 6.6、2.5 倍，倍，极适用在需要高功率的工具电池，大型动力电池，特别是车极适用在需要高功率的工具电池，大型动力电池，特别是车用电池部分。用电池部分。l充电时间短：充电时间不到充电时间短：充电时间不到 2 小时，仅需铅酸电池的小时，仅需铅酸电池的1/4、镍、镍镉的镉的1/2。l转换效率佳：转换效率达转换效率佳：转换效率达95%，优于铅酸的，优于铅酸的60%、镍镉的、镍镉的70%。l轻薄短小：体积重量仅为铅酸的轻薄短小：体积重量仅为铅酸的50%，镍镉的，镍镉的70%。l无污染，不含任何对人体有害的重金属元素；无污染，不含任何对人体有害的重金属元素；36磷酸铁锂动力电池的应用领域l电动工具类电动工具类：高功率电动工具（无线）：高功率电动工具（无线）；电锤、；电锤、电钻、除草机等；电钻、除草机等；l电动自行车电动自行车(Ebike)市场市场l电动玩具市场电动玩具市场l太阳能太阳能 LED路灯储能市场路灯储能市场l小型设备小型设备 医疗设备：电动轮椅车，电动代步车医疗设备：电动轮椅车，电动代步车l固定型电源：主要用于通讯、移动基站、电信、固定型电源：主要用于通讯、移动基站、电信、铁路运输、电力、金融、发电厂、计算机系统铁路运输、电力、金融、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源作为保护、自动控制的备用电源l其它小型电器其它小型电器：矿灯、替代铅酸：矿灯、替代铅酸,镍氢镍氢,镍镉镍镉,锂锂钴钴,锂锰类电池在小型电器上的应用锂锰类电池在小型电器上的应用(2009镍镉将镍镉将全面退出市场全面退出市场)37圆柱型磷酸铁锂动力组合电池8串4并成品组合电池38液态锂离子电池生产工艺流程配料卷绕注液检测包装拉浆制片化成激光焊裁片39配料工艺流程正极干粉处理正极筛浆料正极混干粉正极真空搅拌负极干粉处理负极真空搅拌负极筛粉负极搅拌负极筛浆料正极拉浆负极拉浆正极负极40拉浆工艺流程送 带上 浆正、负极浆料正、负极裁片烘烤收 带41裁片工艺流程正极裁大片正极划线刮粉正极片辊切负极裁大片负极称重分档负极划线刮粉负极片辊切正极称重分档负极吸尘正极制片负极制片42制片工艺流程正极真空烘烤正极吸尘正极片辊压负极真空烘烤负极吸尘负极片辊压负极贴胶纸正极焊极耳负极焊极耳卷绕卷绕正极贴胶纸正极吸尘负极冲压极耳43卷绕工艺流程卷绕贴底部胶纸压芯入壳正、负极片配片隔膜隔膜裁剪测短路套绝缘片并固定负、正极极耳点焊离心入壳测短路压盖帽激光焊底部超声焊铝镍复合带44激光焊工艺流程上夹具称重分级激光焊接注液全检内阻全检气密性45注液工艺流程真空烘烤称重注液化成贴胶纸套胶圈擦洗46化成工艺流程高温烘烤分容化成测电压、贴不干胶，半成品入库清洗压钢珠高温贮存自检电压铝镍复合片点焊47检测包装工艺流程充电反充电放电客户装盒、包装全检电压清洗全检内阻全检尺寸48液态锂离子电池生产所用设备l真空搅拌机l拉浆机（涂布机）l裁切机l辊压机l卷绕机l激光焊机l真空注液机l化成检测柜49液态锂离子电池性能l常规性能：容量电压内阻l可靠性性能：循环寿命放电平台自放电贮存性能高低温性能l安全性能过充短路针刺跌落湿水低压振动50锂离子电池质量认证51总结l电池是个比较复杂的电化学体系，涉及到电化学、材料、机械、物理等学科l锂离子电池生产流程较长，每个质量控制点都非常重要l大家可以根据自己工作岗位性质有针对性的进行研究、讨论52