锂离子电池概述材料工作原理及应用.pptx

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1、1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂锂是金属中最轻的元素，且标准电极电位为是金属中最轻的元素，且标准电极电位为-3.045V，是金，是金属元素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在属元素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在TiS2和和MoS2等嵌入化合物中嵌入或脱嵌。等嵌入化合物中嵌入或脱嵌。锂离子电池锂离子电池：分别用二个：分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子工作的独特机理

2、的锂离子电池形象地称为电池形象地称为“摇椅式摇椅式电池电池”，俗称，俗称“锂电锂电”。第1页/共128页电子技术的发展，对高比能量的移动电源需求量加电子技术的发展，对高比能量的移动电源需求量加剧。锂离子电池是一种理想的可移动电源，具有体积小，剧。锂离子电池是一种理想的可移动电源，具有体积小，重量轻，放电电压高，比能量大等优点。自从重量轻，放电电压高，比能量大等优点。自从1990年年SONY公司推出世界上第一只锂离子电池，到公司推出世界上第一只锂离子电池，到2001年为年为止，整个市场每年约止，整个市场每年约4亿只该类电池用于纯消费类电子产亿只该类电池用于纯消费类电子产品。便携式摄像机、移动电话

3、、手提电脑等品。便携式摄像机、移动电话、手提电脑等95以上使以上使用锂离子二次电池作为主要电源。用锂离子二次电池作为主要电源。1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况第2页/共128页汽车尾气排放的主要污染物为一氧化碳汽车尾气排放的主要污染物为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（）、氮氧化物（NOx）、铅（）、铅（Pb）等。）等。身边的污染身边的污染汽车汽车能源危机能源危机 石油枯竭：现在已经探明的大概为石油枯竭：现在已经探明的大概为1 1万万15001500亿亿桶。桶。据美国能源部门估计，今后据美国能源部门估计，今后2020年内，世界石年内，世界石油还能供求平衡

4、，但油还能供求平衡，但2020年后就要面临缺油的年后就要面临缺油的局面。局面。第3页/共128页各种各种3C电子产品及电动工具电源电子产品及电动工具电源电动车电动车 LiCoO2已经不能满足需求，且价格贵第4页/共128页90年代年代80年代年代70年代年代20世纪世纪60年代年代碳负极/过渡金属氧化物正极锂离子电池概念提出锂离子电池概念提出开始锂二次电池的研究开始锂二次电池的研究Sony公司公司发展展历程程锂金属为负极、硫化物正极锂金属为负极、硫化物正极各种正负极材料、电解质法国法国ArmandExxon公司能源危机LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、聚合物电解质、金属基负极、Si

5、基现在现在正极是制约 其发展的关键瓶颈之一第5页/共128页a)Layered:LiMO2 -Li0.5MO23.8V,200 mAh/gb)Spinels:LiMn2O4 -Mn2O43V or 4.0V,148 mAh/gc)Olivines:LiFePO4 -FePO4 3.6V,170 mAh/g主要正极材料主要正极材料第6页/共128页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的历史锂离子电池的历史第7页/共128页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的优点锂离子电池的优点1、高能量密度高能量密度：100Wh/Kg以上，为镍镉电池的三倍，镍氢电池的两倍；以上

6、，为镍镉电池的三倍，镍氢电池的两倍；2、电压平台高电压平台高：3.6V，镍基电池为，镍基电池为1.2V；3、低温下工作优低温下工作优：在：在-2060的温度范围内工作，低温下的工作优于其它电的温度范围内工作，低温下的工作优于其它电池池；4、低维护性低维护性：没有记忆效应，无需定期放电，最理想的保存方式，就是在：没有记忆效应，无需定期放电，最理想的保存方式，就是在40%充电后冷藏保存，可以保存达十年之久充电后冷藏保存，可以保存达十年之久；5、低自放电率低自放电率：约：约6/月；月；6、长循环寿命长循环寿命(1000次，次，100DOD)；7、环保环保：无重金属，无污染。：无重金属，无污染。第8页

7、/共128页第9页/共128页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的优点锂离子电池的优点镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比 第10页/共128页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的缺点锂离子电池的缺点1、安全性能问题安全性能问题：需复杂的保护线路；：需复杂的保护线路；2、放电倍率低放电倍率低：1C2C；3、易于老化易于老化：存储的锂离子电池照样会容量衰竭；：存储的锂离子电池照样会容量衰竭；4、价格昂贵价格昂贵。第11页/共128页一般认为，锂离子电池起火爆炸是由于其一般认为，锂离子电池起火爆炸是由于其内部化学原理内部化学原理和和成

8、成分导致的。由于人分导致的。由于人们想在单位密度中储存更多的能量，这就导致了锂离子电池中碳、氧和易燃液体的们想在单位密度中储存更多的能量，这就导致了锂离子电池中碳、氧和易燃液体的含量不断增加。与此同时除了正极、负极以及隔离膜之外，锂离子电池内部还充满含量不断增加。与此同时除了正极、负极以及隔离膜之外，锂离子电池内部还充满了一种非常易燃的液体了一种非常易燃的液体锂盐类电解质。电池充电时，负极的锂离子向正极移动，锂盐类电解质。电池充电时，负极的锂离子向正极移动，电池在使用过程中，锂离子又回到负极以提供能量。在充完电的状态下，失去大部电池在使用过程中，锂离子又回到负极以提供能量。在充完电的状态下，失

9、去大部分离子的负极非常不稳定。这个温度足以使负极分解和释放氧。随着热量积蓄，电分离子的负极非常不稳定。这个温度足以使负极分解和释放氧。随着热量积蓄，电池将会进入池将会进入“热失控热失控”状态。此时电池内部的温度将会极快地升高，最后到达电解状态。此时电池内部的温度将会极快地升高，最后到达电解液的燃点而起火爆炸。在最近导致众多大厂笔记本电脑过热和起火的液的燃点而起火爆炸。在最近导致众多大厂笔记本电脑过热和起火的SONY锂电池锂电池中，正是因为在电池制造过程中混入了过多的金属颗粒，容易在电池使用过程中发中，正是因为在电池制造过程中混入了过多的金属颗粒，容易在电池使用过程中发生短路、产生火花。才导致了

10、这些锂离子电池的不稳定。生短路、产生火花。才导致了这些锂离子电池的不稳定。第12页/共128页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为1、液态锂离子电池、液态锂离子电池(lithiumionbattery,简称为简称为LIB)2、聚合物锂离子电池、聚合物锂离子电池(polymerlithiumionbattery,简称为简称为LIP)相同点相同点：液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离：液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液

11、态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2，负极，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。区别区别：主要区别在于：主要区别在于电解质电解质的不同的不同,锂离子电池使用的是锂离子电池使用的是液体电解质液体电解质,而聚合而聚合物锂离子电池则以物锂离子电池则以聚合物电解质聚合物电解质来代替来代替,这种聚合物可以是这种聚合物可以是“干态干态”的的,也可也可以是以是“胶态胶态”的的,目前大部分采用目前大部分采用聚合物胶体电解质聚合物胶体电解质。第13页/共128页1锂离

12、子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类电解质电解质壳体壳体/包装包装隔膜隔膜集流体集流体液态锂离子电池液态锂离子电池液态液态不锈钢、铝不锈钢、铝25PE铜箔（负极）铜箔（负极）和铝箔（正和铝箔（正极）极）聚合物锂离子电聚合物锂离子电池池胶体聚合物胶体聚合物铝铝/PP复合膜复合膜没有隔膜或个没有隔膜或个PE铜箔（负极）铜箔（负极）和铝箔（正和铝箔（正极）极）第14页/共128页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电液泄露，所以装配很容易

13、，使得整体电池很轻、很薄。也不液泄露，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄。也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高量将会比目前的液态锂离子电池提高50以上。此外以上。此外,聚合聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比液态物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比液态锂离

14、子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。誉为下一代锂离子电池。第15页/共128页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类按按形状形状分类：圆柱形、方形和扣式分类：圆柱形、方形和扣式(或钱币形或钱币形)；按按正极材料正极材料分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型和氧化锰锂型分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型和氧化锰锂型第16页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第17页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电

15、池的工作原理锂离子电池的工作原理第18页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第19页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性以以LiCoO2体系的锂离子二次电池为例说体系的锂离子二次电池为例说明其工作原理。一般，锂离子二次电池是明其工作原理。一般，锂离子二次电池是由由正极正极、电解液电解液、隔膜隔膜以及以及负极负极构成。充构成。充电时，正极中的锂离子从电时，正极中的锂离子从LiCoO2层状结层状结构中脱出，构中脱出，Co元素的化合价由元素的化合价由升高升高到到，正极材料发生氧化反应，同时，正极材料发生氧化反应，同时

16、锂离子经过电解液迁移到电池的负极，在锂离子经过电解液迁移到电池的负极，在负极碳材料的层状结构内和碳化合生成负极碳材料的层状结构内和碳化合生成LiCX。电池在接上负载时，则两电极上。电池在接上负载时，则两电极上所发生的反应分别为充电时发生反应的逆所发生的反应分别为充电时发生反应的逆反应。隔膜位于正负反应电极之间，隔膜反应。隔膜位于正负反应电极之间，隔膜可以透过离子，但却不允许电子透过，同可以透过离子，但却不允许电子透过，同时当电池正负极发生一定程度的微短路时，时当电池正负极发生一定程度的微短路时，隔膜还起到阻断保护作用。隔膜还起到阻断保护作用。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第20页/共

17、128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性电电极极反反应应锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第21页/共128页锂离子电池的额定电压为锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满时的电压（称。电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为为终止充电电压）一般为4.2V；锂离子电池终止放电电压；锂离子电池终止放电电压为为2.5V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后后还继续使用，则称为过放电，对电池有损害。还继续使用，则称为过放电，对电池有损害。2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池比较骄贵。如果不满足其充电及使用要求，

18、锂离子电池比较骄贵。如果不满足其充电及使用要求，很容易出现爆炸，寿命下降等现象。因为锂离子电池对温很容易出现爆炸，寿命下降等现象。因为锂离子电池对温度、过压、过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均度、过压、过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均集成了热敏电阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放集成了热敏电阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放电保护电路。电保护电路。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第22页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理Iconst：恒流充电电流；：恒流充电电流；Ipre：预充电电流；：预充电电流；I

19、full：充满判断电流；：充满判断电流；Vconst：恒压充电电压；：恒压充电电压；Vmin：预充结束电压及短：预充结束电压及短路判断电压路判断电压第23页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电过程分锂离子电池的充电过程分：预充电阶段预充电阶段；恒流充电阶段恒流充电阶段-恒压充电阶段恒压充电阶段。1C4.1V一4.2V锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第24页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性预充电阶段预充电阶段预充电阶段是在电池电预充电阶段是在电池电压低于压低于3V时，电池不时，电池不能承受大电流的充电。能承受大电流的充电。这

20、时有必要以小电流对这时有必要以小电流对电池进行浮充。电池进行浮充。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第25页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性恒流充电阶段恒流充电阶段当电池电压达到当电池电压达到3V时，时，电池可以承受大电流电池可以承受大电流的充电了。这时应以的充电了。这时应以恒定的大电流充电。恒定的大电流充电。以使锂离子快速均匀以使锂离子快速均匀转移，这个电流值越转移，这个电流值越大，对电池的充满及大，对电池的充满及寿命越有利。寿命越有利。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第26页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性恒压充电阶段恒压充

21、电阶段当电池电压达到当电池电压达到4.2V时，达到了时，达到了电池承受电压的极限。这时应以电池承受电压的极限。这时应以4.2V的电压恒压充电。这时充电的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于电流逐渐降低。当充电电流小于30mA时，电池即充满了。这时时，电池即充满了。这时要停止充电。否则，电池因过充要停止充电。否则，电池因过充而降低寿命。恒压充电阶段要求而降低寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为电压控制精度为1%。依国家标。依国家标准，锂离子电池要能在准，锂离子电池要能在1C的充电的充电电流下，可以循环充放电电流下，可以循环充放电500次次以上。依一般的电池使用三天一以上。依一般的电

22、池使用三天一充。这样电池的寿命应在充。这样电池的寿命应在4年。年。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第27页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性恒压式充电原理图恒压式充电原理图 当没电的电池插在这种充电器上当没电的电池插在这种充电器上时，充电器即以最大的电流为电池时，充电器即以最大的电流为电池充电。如果在锂离子电池最虚弱的充电。如果在锂离子电池最虚弱的低压时（低于低压时（低于2.5V）就以大电流冲）就以大电流冲击，将会严重损害电池的寿命。击，将会严重损害电池的寿命。另外，这类的充电器均为直接另外，这类的充电器均为直接市电市电220V接入，转换为接入，转换为5V的低压

23、直的低压直流。因为转换效率低下，会产生大流。因为转换效率低下，会产生大量的热。热量直接叠加在了电池上，量的热。热量直接叠加在了电池上，使电池温度过高，这对电池有很大使电池温度过高，这对电池有很大损害。损害。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第28页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电方法锂离子电池的充电方法标准充电标准充电：在环境温度：在环境温度205的条件下，以的条件下，以0.5C5A恒恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压流充电，当电池端电压达到充电限制电压4.20V时，改为时，改为恒压充电，直到充电电流小于恒压充电，直到充电电流小于10mA，停

24、止充电。，停止充电。快速充电快速充电：在环境温度：在环境温度205的条件下，以的条件下，以1C5A恒流充恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压电，当电池端电压达到充电限制电压4.2V时，改为恒压充时，改为恒压充电，直到充电电流小于电，直到充电电流小于10mA，停止充电。，停止充电。第29页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电方法锂离子电池的充电方法第30页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的放电特性锂离子电池的放电特性在较高放电率下在较高放电率下(1.0C以上以上)，虽然放电，虽然放电电压有所下降，但电压有所下降，但截止到

25、截止到2.5V终止电终止电压时的放电容量却压时的放电容量却降低很少。降低很少。第31页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的高温性能锂离子电池的高温性能电池充电结束后，将电池放入电池充电结束后，将电池放入602的高温箱中的高温箱中恒温恒温2h，然后以，然后以1C5A电流恒流放电至电流恒流放电至2.75V。放电。放电时间不小于时间不小于54分钟。后将电池取出在环境温度分钟。后将电池取出在环境温度205的条件下搁置的条件下搁置2h,电池外观无变形、无爆裂。电池外观无变形、无爆裂。第32页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的低温特性锂

26、离子电池的低温特性电池充电结束后，将电池放入电池充电结束后，将电池放入-102的低温箱中恒的低温箱中恒温温2h后，以后，以0.5C5A电流恒流放电至终止电压电流恒流放电至终止电压2.75V。放。放电时间不小于电时间不小于1.8h。后将电池取出在环境温度。后将电池取出在环境温度205的的条件下搁置条件下搁置2h，电池外观无变形、无爆裂。，电池外观无变形、无爆裂。第33页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的温度特性锂离子电池的温度特性放电平台电压有明显下降，但放电容量相差不大。放电平台电压有明显下降，但放电容量相差不大。第34页/共128页2锂离子电池的原理和特性

27、锂离子电池的原理和特性锂离子电池的循环寿命锂离子电池的循环寿命在环境温度在环境温度205的条件下，的条件下，以以1C5A恒流充电，当电池端恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压时，电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电改为恒压充电，直到充电电流为流为105mA，停止充电；，停止充电；搁置搁置0.5h1h，然后以，然后以1C5A电流恒流放电至终止电电流恒流放电至终止电压压2.75V，搁置，搁置0.5h1h，再，再进行下一个充放电循环。直进行下一个充放电循环。直至连续两次放电容量小于至连续两次放电容量小于80%的的1C5A放电容量，认放电容量，认为寿命终止，循环寿命不小为寿命终止，循环寿

28、命不小于于300次。次。内阻的增加，导致充电不足内阻的增加，导致充电不足第35页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的储存特性锂离子电池的储存特性0254060第36页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估第37页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性过过充充试试验验利用恒定电流持续给电芯充电，设定固定电压上限。电芯内部在负极上产生锂离子枝利用恒定电流持续给电芯充电，设定固定电压上限。电芯内部在负极上产生锂离子枝晶，刺穿隔膜是通过该试验最大的威胁。晶，刺穿隔膜是通过该试验最大的威胁。

29、前提前提环境温度环境温度充电电充电电流流试验过程试验过程时间要求时间要求结果要求结果要求军工军工按标准充满电后按标准充满电后2050.2C5A直至保护电路起作用直至保护电路起作用无无不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧轻工标准轻工标准QB/T25022000完全放电态的电池完全放电态的电池2050.2C5A可让保护电路起作用可让保护电路起作用12.5h不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧04科技部科技部863电动车蓄电电动车蓄电池池按标准充满电，放按标准充满电，放1小时后小时后2051C1(A)电压达到电压达到5.0V或充电或充电90min不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧国家标准国家标准GB/T18287-200

30、0按标准充满电后按标准充满电后2053C5A上限电压上限电压10V，温度下降峰值温度下降峰值10后结束实后结束实验验不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧UL标准标准按标准充满电后按标准充满电后205对应电流和时间进行。对应电流和时间进行。注：注：C为标称容量，为标称容量，IC为测试为测试电流电流测试时间不得少测试时间不得少于于48h不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估第38页/共128页短短路路试试验验2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估用小电阻的导线直接连接正负极，使电池形成超大电流回路，电池内部快速升温用小电阻的导线

31、直接连接正负极，使电池形成超大电流回路，电池内部快速升温前提前提环境温度环境温度短路方法短路方法外部电阻外部电阻时间时间结果要求结果要求军标军标按标准充满电后的电按标准充满电后的电池组池组205用导线连接正负极用导线连接正负极50m直至保护电路起作直至保护电路起作用用不爆炸、不燃烧、不爆炸、不燃烧、可正常充放电可正常充放电轻工标准轻工标准QB/T2502-2000按标准充满电后按标准充满电后205用导线连接正负极用导线连接正负极50m6h以上以上不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧2004科技部科技部863电动车蓄电电动车蓄电池池按标准充满电按标准充满电1小时小时后后205用导线连接正负极用导线连接正

32、负极10m10min不漏液、不爆炸不漏液、不爆炸或燃烧或燃烧国家标准国家标准GB/T18287-2000按标准充满电后按标准充满电后205用导线连接正负极用导线连接正负极50m温度下降峰值温度下降峰值10后结束实验后结束实验不爆炸、不燃烧，不爆炸、不燃烧，外部温度不得高外部温度不得高于于150UL标准标准按标准充满电后按标准充满电后602205用导线连接正负极用导线连接正负极0.1直至温度下降接直至温度下降接近环境温度近环境温度不爆炸、不燃不爆炸、不燃烧，外壳温度不烧，外壳温度不得高于得高于150第39页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的安全评估锂离子电池的

33、安全评估针针刺刺试试验验用铁针垂直穿透电池，持续形成内部短路用铁针垂直穿透电池，持续形成内部短路前提前提环境温度环境温度钢钉钢钉试验过程试验过程时间要求时间要求结果要求结果要求军工军工按标准充满电后按标准充满电后2053mm沿径向强力刺沿径向强力刺穿穿无规定无规定不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧轻工标准轻工标准QB/T2502-2000按标准充满电后按标准充满电后2052.55mm中央与电极面中央与电极面垂直的方垂直的方向穿透向穿透放置放置6小小时以时以上上不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧2004科技部科技部863电动车蓄电电动车蓄电池池按标准充满电后按标准充满电后20538mm垂直于极板的垂直于极板

34、的方向迅速方向迅速贯穿贯穿钢针停留钢针停留在其在其中中不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧UL标准标准按标准充满电后按标准充满电后205在电池的正面与侧面，在在电池的正面与侧面，在3ms内以最小加内以最小加速度速度75g，最大加速度，最大加速度125-175g撞击撞击电池电池不爆炸、不燃烧、不爆炸、不燃烧、排出物排出物5g第40页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性热热冲冲击击把电芯放入高温箱中，把电芯放入高温箱中，以标准规定的速度升温以标准规定的速度升温，持续的高温导致内部隔膜熔化，形成，持续的高温导致内部隔膜熔化，形成大面积内部短路大面积内部短路。前提前提升温速率升温速率上限

35、温度上限温度时间要求时间要求结果要求结果要求军工军工按标准充满电后按标准充满电后电池组在温度（电池组在温度（-40）与（）与（70）之间循环）之间循环4次次,并在各个温并在各个温度环境中恒温度环境中恒温2小时，温度交替移动的时间不大于小时，温度交替移动的时间不大于1min，然后在，然后在25下保持下保持2小时小时不变形、不开裂、不变形、不开裂、不漏液、可正常不漏液、可正常充放电充放电轻工标准轻工标准QB/T2502-2000按标准充满电后按标准充满电后5113060min不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧2004科技部科技部863电动车蓄电电动车蓄电池池按标准充满电后按标准充满电后5270220mi

36、n不漏液、不变形、不漏液、不变形、不爆炸或燃烧不爆炸或燃烧国家标准国家标准GB/T18287-2000按标准充满电后按标准充满电后52150230min不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧UL标准标准按标准充满电后按标准充满电后52150210min不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估第41页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性如如何何采采购购1、选择使用锰酸锂材料的、选择使用锰酸锂材料的电池；电池；2、委托权威部门进行安全委托权威部门进行安全性的检测，进行现场考验；性的检测，进行现场考验；3、开展长时间、大量的安开展长时间、大量的安全测试，以检测

37、保护电路、全测试，以检测保护电路、电芯的可靠性；电芯的可靠性；4、选择有实力的供应商为选择有实力的供应商为合作伙伴。合作伙伴。联想集团开发的安全锂离子电池联想集团开发的安全锂离子电池锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估第42页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的结构锂离子电池的结构正极材料正极材料一般选择相对锂而言电位大于一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。第43页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性负极材料负

38、极材料做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.40.6，y=0.60.4，z=(23x5y)/2)等。等。锂离子电池的结构锂离子电池的结构第44页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的电解液是锂离子电池的电解液是有机溶剂有机溶剂和和无机盐无机盐构成的，采用构成的，采

39、用LiPF6的乙烯碳酸脂（的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二）和低粘度二乙基碳酸脂（乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导率平均约为温电导率平均约为-110-3S/cm，比水溶液电解质低近两个，比水溶液电解质低近两个数量级。因此，为了使商品锂离子电池能在较高电流下充、数量级。因此，为了使商品锂离子电池能在较高电流下充、放电，电极必须很薄，以增加电极的总面积，降低电极的实放电，电极必须很薄，以增加电极的总面积，降低电极的实际工作电流密度。际工作电流密度。电解液电解液锂离子电池的结构锂离子电池的结构第45页/

40、共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性隔膜隔膜隔膜采用聚烯微多孔膜如隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。强度，起到了热保险作用。锂离子电池的结构锂离子电池的结构第46页/共128页外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性外壳外壳锂离子电池的结构锂离子电池的结构第47页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理

41、和特性此结构一般为此结构一般为液态锂离子电液态锂离子电池所采用池所采用,也也是最古老的结是最古老的结构之一，偶尔构之一，偶尔在较早的手机在较早的手机上还能找到它上还能找到它的影子。目前的影子。目前大多数用在笔大多数用在笔记本电脑的电记本电脑的电池组里面。池组里面。安全阀安全阀正温正温度系度系数的数的电阻电阻元件元件卷边压缩密封卷边压缩密封锂离子电池的结构锂离子电池的结构第48页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性现今最普遍的液现今最普遍的液态锂离子电池形态锂离子电池形态，态，广泛的应广泛的应用在各个移动电用在各个移动电子设备的电池组子设备的电池组里面，特别是手里面，特别是

42、手机电池。左图画机电池。左图画面是面是sanyo生产生产的的UP383450，即即3.8mm*34mm*50mm，标称容，标称容量达到量达到650mAh。方形电池的正极往是一种金属方形电池的正极往是一种金属陶瓷或金属陶瓷或金属破璃破璃绝缘子它实现了正极与壳体之间的绝缘。绝缘子它实现了正极与壳体之间的绝缘。激光焊接激光焊接锂离子电池的结构锂离子电池的结构第49页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性此种可充电的此种可充电的锂离子电池不锂离子电池不常见，容量不常见，容量不大在几个到几大在几个到几十十mAhmAh之间之间,应应用领域也不广用领域也不广泛。泛。锂离子电池的结构锂离子

43、电池的结构第50页/共128页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的命名锂离子电池的命名圆柱形锂离子二次电池的命名圆柱形锂离子二次电池的命名：用三个字母和：用三个字母和5位数字来表位数字来表示，前两个字母表示锂离子电池示，前两个字母表示锂离子电池(LI)，后一个字母表示圆，后一个字母表示圆柱形柱形(R)，前两位数字表示以，前两位数字表示以mm为单位的最大直径，后三为单位的最大直径，后三位数字表示以位数字表示以0.lmm为单位的最大高度，如为单位的最大高度，如LIR18650即表即表示直径为示直径为18mm，高，高65mm的圆柱形锂离子电池。的圆柱形锂离子电池。方形锂离子二次

44、电池的命名方形锂离子二次电池的命名：用三个字母和：用三个字母和6位数字来表示，位数字来表示，前两个字母表示锂离子电池前两个字母表示锂离子电池(LI)，后一个字母表示方形，后一个字母表示方形(S)，前两位数字表示以，前两位数字表示以mm为单位的最大厚度，中间两位数为单位的最大厚度，中间两位数字表示以字表示以mm为单位的宽度，后两位数字以为单位的宽度，后两位数字以mm为单位的最为单位的最大高度，如大高度，如LIS043048即表示厚度为即表示厚度为4mm，宽，宽30mm，高，高48mm的方形锂离子电池。的方形锂离子电池。第51页/共128页3锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的应用与发展前景锂离

45、子电池的应用锂离子电池的应用手机手机中中的的锂离锂离子子电池电池第52页/共128页3锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的应用锂离子电池的应用电动电动自行自行车车中中的的锂离锂离子子电池电池第53页/共128页3锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的应用与发展前景电动电动汽车汽车中中的的锂离锂离子子电池电池锂离子电池的应用锂离子电池的应用第54页/共128页3锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的发展方向锂离子电池的发展方向发展电动汽车用大容量锂离子电池发展电动汽车用大容量锂离子电池开发及使用新的高性能电极材料开发及使用新的高性能电极材料加

46、速聚合物理离子电池的实用化进程加速聚合物理离子电池的实用化进程第55页/共128页4锂离子电池材料锂离子电池材料负极材料负极材料正极材料正极材料电解质材料电解质材料第56页/共128页4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料演变过程锂离子电池负极材料演变过程第57页/共128页4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料金属锂金属锂比容量最高的负极材料比容量最高的负极材料负极：金属锂负极：金属锂固固态态电电解解质质界界面面膜膜SEI直接使用金属锂仍处于研究阶段直接使用金属锂仍处于研究阶段弥散态的锂弥散态的锂枝晶枝晶软短路软短路局

47、部温度升高局部温度升高硬短路硬短路第58页/共128页4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料金属锂金属锂为了解决这一问题，主要在三个方面展开研究：为了解决这一问题，主要在三个方面展开研究：寻找替代金属锂的负极材料；寻找替代金属锂的负极材料；采用聚合物电解质来避免金属锂与有机溶剂反应；采用聚合物电解质来避免金属锂与有机溶剂反应；改进有机电解液的配方，使金属锂在充放电循环中改进有机电解液的配方，使金属锂在充放电循环中保持光滑均一的表面。保持光滑均一的表面。前两个方面已取得重大进展。前两个方面已取得重大进展。优点：比容量高优点：比容量高缺点：安全性差，循环性差缺点：安全性

48、差，循环性差第59页/共128页4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料合金类负极材料合金类负极材料优点优点：避免了枝晶的生长，提高了安全性。：避免了枝晶的生长，提高了安全性。主要问题主要问题：在反复循环过程中，锂合金将经历较大的：在反复循环过程中，锂合金将经历较大的体积变化，电极材料逐渐粉化失效，合金结构遭到破体积变化，电极材料逐渐粉化失效，合金结构遭到破坏。坏。主要材料主要材料：LiAlFe、LiPb、LiAl、LiSn、LiIn、LiBi、LiZn、LiCd、LiAlB、LiSi等等含含锂锂合合金金第60页/共128页4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极

49、材料锂离子电池负极材料合金类负极材料合金类负极材料复合体系的采用，解决了维度不稳定的缺点：复合体系的采用，解决了维度不稳定的缺点：采用混合导体全固态复合体系：即将活性物质采用混合导体全固态复合体系：即将活性物质(如如LixSi)均匀分散均匀分散在非活性的锂合金中，其中活性物质与锂反应非活性物质提供反在非活性的锂合金中，其中活性物质与锂反应非活性物质提供反应通道；应通道；将锂合金与相应金属的金属间化合物混合，如将将锂合金与相应金属的金属间化合物混合，如将LixAl台金与台金与Al3Ni混合；混合；将锂合金分散在导电聚合物中，如将将锂合金分散在导电聚合物中，如将LixAl、LixPb分散在聚乙炔分

50、散在聚乙炔或聚并苯中。其中导电聚合物提供一个弹性、多孔、有较高电子和或聚并苯中。其中导电聚合物提供一个弹性、多孔、有较高电子和离子电导率的支撑体；离子电导率的支撑体；将小颗粒的锂合金嵌入到一个稳定的网络支撑体中。将小颗粒的锂合金嵌入到一个稳定的网络支撑体中。效果效果：提高了锂合金体系的维度稳定性，但仍不能达到实用化的程：提高了锂合金体系的维度稳定性，但仍不能达到实用化的程度。度。含含锂锂合合金金第61页/共128页4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料合金类负极材料合金类负极材料非非锂锂合合金金主要材料主要材料1、纳米级、纳米级(大于大于100nm)的的Sn及及Sn