2022锂离子电池制造工艺原理与应用.docx

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1、有乱码。提供PDF！锂离子电池制造工艺原理与应用 $ 1 $1.1 锂离子电池电化学原理/0021.1.1 化学原理/ 0021.1.2 电池结构及分类/ 0031.2 锂离子电池原材料及制造/0051.3 锂离子电池性能/0061.3.1 电化学性能/ 0061.3.2 安全性能/ 0111.4 锂离子电池发展历程、特点及应用/0121.4.1 锂离子电池发展历程/ 0121.4.2 锂离子电池特点及应用/ 013参考文献/014 2 $fl 2.1 锂离子电池正极材料/0172.1.1 正极材料简介/ 0172.1.2 钴酸锂/ 0182.1.3 三元材料/ 0202.1.4 富锂锰基材料

2、/ 0222.1.5 尖晶石型锰酸锂/ 0252.1.6 磷酸铁锂/ 0272.2 锂离子电池负极材料/0302.2.1 负极材料简介/ 0300010162.2.2 石墨材料/ 0312.2.3 无定形炭/ 0342.2.4 钛氧化物材料/ 0362.2.5 SiOx /C 复合材料/ 0372.2.6 Sn 基复合材料/ 0392.3电解质/0402.3.1 电解质简介/ 0402.3.2 液态电解质/ 0412.3.3 半固态电解质凝胶聚合物电解质/ 0442.3.4 固态电解质/ 0462.4隔膜/0482.4.1 隔膜种类和要求/ 0482.4.2 湿法聚烯烃多孔膜/ 0502.4.

3、3 干法聚烯烃多孔膜/ 0502.4.4 无机/有机复合膜/ 0512.5其他材料/0522.5.1 导电剂/ 0522.5.2 黏结剂/ 0532.5.3 壳体、集流体和极耳/ 054参考文献/055 3 $ :fl$ 3.1 多孔电极简介/0573.1.1 多孔电极结构/ 0573.1.2 多孔电极分类/ 0583.2 锂离子电池多孔电极动力学/0583.2.1 多孔电极过程/ 0583.2.2 多孔电极动力学/ 0613.2.3 多孔电极极化/ 0673.2.4 多孔电极锂离子扩散测量与模拟/ 0733.3 锂离子电池多孔电极电化学性能/0803.3.1 多孔电极孔隙结构/ 080056

4、3.3.2 多孔电极电化学性能/ 0883.3.3 多孔电极结构稳定性/ 0913.3.4 锂离子电池多孔电极结构设计/ 097参考文献/100 4 $ fi 4.1概述/1064.2 悬浮液颗粒受力1 /1064.2.1 颗粒间作用力/ 1074.2.2 颗粒受到的其他作用力/ 1114.2.3 颗粒间距和粒度对颗粒受力的影响/ 1134.3 静态悬浮液稳定性/1144.3.1 沉降方式/ 1144.3.2 稳定悬浮液的判据/ 1154.4 锂离子电池浆料制备原理/1174.4.1 粉体润湿/ 1174.4.2 粉体分散/ 1194.4.3 脱气、输送和过滤/ 1224.5 锂离子电池制浆设

5、备/1244.6 锂离子电池制浆工艺/1284.6.1 浆料体系及要求/ 1284.6.2 制浆工艺步骤/ 1304.6.3 悬浮液分散性和稳定性调控/ 1354.6.4 制浆工艺与极片导电体系/ 146参考文献/150 5 $ 5.1 涂布流变学基础/1525.1.1 悬浮液分类/ 1521051515.1.2 剪切与黏度/ 1545.1.3 润湿与流平/ 1575.2 黏度和表面张力调控/1595.2.1 黏度调控/ 1595.2.2 表面张力调节/ 1655.2.3 助剂调节/ 1675.2.4 温度调节/ 1705.2.5 制浆工艺调节/ 1715.3 辊涂原理与工艺/1745.3.1

6、 辊涂简介/ 1745.3.2 单辊涂布/ 1745.3.3 双辊涂布/ 1795.3.4 三辊涂布/ 1875.4 预定量涂布原理与工艺/1885.4.1 坡流涂布原理与工艺/ 1885.4.2 条缝和挤压涂布原理与工艺/ 2025.4.3 涂布弊病及消除/ 2125.5 涂布方法选择/2145.5.1 涂布方法/ 2145.5.2 涂布方法选择/ 2155.6干燥/2175.6.1 干燥简介/ 2175.6.2 干燥原理与工艺/ 2185.6.3 干燥时涂膜的流变性质及缺陷预防/ 2255.6.4 干燥设备/ 232参考文献/233 6 $ fi6.1概述/2376.2 粉体基本性质/23

7、76.2.1 粒度与形状/ 2386.2.2 群聚集性质/ 2412366.3 粉体充填模型和充填密度/2436.3.1 理想充填模型/ 2436.3.2 实际粉体充填密度/ 2466.4 实际粉体压缩性能/2486.4.1 压缩过程/ 2486.4.2 压缩曲线/ 2496.4.3 充填和压实的调控/ 2526.5 极片辊压原理与工艺/2546.5.1 辊压力/ 2556.5.2 厚度控制/ 2566.5.3 伸长率/ 2596.6 辊压极片与电池性能/2616.6.1 压实密度对电池性能的影响/ 2616.6.2 电极特性对电池充放电性能的影响/ 2666.7 极片辊压设备/2696.7.

8、1 辊压机/ 2696.7.2 附加装置/ 2706.8 极片质量与控制/2726.8.1 极片缺陷及控制/ 2726.8.2 收放卷缺陷/ 2746.8.3 极片强韧性/ 2746.8.4 极片黏结性/ 276参考文献/277 7 $ yfl7.1 极片分切方法/2817.2 极片剪切过程/2827.3 极片剪切工艺/2837.3.1 剪切材料/ 2837.3.2 剪切力/ 2847.3.3 刀盘水平间隙和垂直间隙/ 2857.3.4 剪切速率/ 2887.3.5 张力/ 2882807.4 极片分切设备/2897.4.1 纵切设备/ 2897.4.2 横切设备/ 2917.5 激光分切/2

9、927.5.1 激光分切简介/ 2927.5.2 激光分切工艺/ 2957.6 极片分切缺陷及其影响/2987.6.1 分切缺陷/ 2987.6.2 分切缺陷的影响/ 300参考文献/301 8 $ y 8.1 电极卷绕和叠片/3048.1.1 卷绕和叠片工艺/ 3048.1.2 卷绕和叠片设备/ 3088.2 锂离子电池组装/3128.2.1 组装工艺/ 3128.2.2 组装设备/ 3158.3 锂离子电池装配质量检验/319参考文献/320 9 $ 9.1 焊接概述/3229.2 锂离子电池激光焊接/3259.2.1 激光焊接原理/ 3259.2.2 激光焊接设备/ 3269.2.3 脉

10、冲激光缝焊/ 3299.2.4 脉冲激光点焊/ 3339.2.5 激光焊接性/ 3349.2.6 焊接检验及缺陷预防/ 3353033219.2.7 激光焊接防护/ 3379.3 锂离子电池超声波点焊接/3379.3.1 超声焊接原理及特点/ 3379.3.2 超声焊接设备/ 3399.3.3 超声波点焊工艺/ 3419.3.4 超声焊焊接性/ 3489.3.5 缺陷及预防/ 3539.4 锂离子电池电阻点焊/3549.4.1 电阻点焊原理及特点/ 3549.4.2 点焊设备/ 3569.4.3 电阻点焊工艺/ 3579.4.4 常用材料焊接性/ 3639.4.5 缺陷及预防/ 3659.5

11、锂离子电池塑料热封装/3689.5.1 热封装原理与设备/ 3689.5.2 热封工艺/ 369参考文献/37110 $ flfi10.1 锂离子电池化成原理/37410.1.1 化成反应/ 37410.1.2 固体产物及 SEI 膜/ 37510.1.3 气体产物与水分/ 37910.1.4 极片的膨胀/ 38310.2 锂离子电池化成工艺及设备/38710.2.1 注液工艺及设备/ 38710.2.2 化成工艺及设备/ 39110.2.3 老化工艺及设备/ 39510.3 锂离子电池制造水分控制/39610.3.1 水分控制工艺/ 39610.3.2 水分控制设备/ 39810.4 锂离子

12、电池分容分选/399参考文献/403373 11 fi $ 11.1概述/40811.1.1 动力电池简介/ 40811.1.2 电动汽车动力电池/ 41011.2 单体动力锂离子电池电性能/41211.2.1 原材料与电性能/ 41211.2.2 电池结构与电性能/ 41411.3 单体动力锂离子电池安全性/41411.3.1 热失控及安全性能/ 41411.3.2 电池结构与安全性能/ 41611.3.3 设备工艺与安全性能/ 41711.3.4 原材料与安全性能/ 41911.4 单体动力锂离子电池一致性/42011.4.1 电池一致性指标/ 42111.4.2 电池一致性影响因素/ 4

13、2311.4.3 筛选指标与一致性/ 42411.4.4 一致性与电池组性能/ 42511.5 动力锂离子电池组管理/42811.5.1 电池组管理系统简介/ 42811.5.2 电池状态评估/ 42911.5.3 电池充放电及均衡控制/ 43311.5.4 电池组温度控制/ 43611.6 动力锂离子电池组安全技术/43911.6.1 安全技术/ 43911.6.2 安全性能检测/ 440参考文献/44112 $ $ 12.1 锂硫电池/44412.1.1 反应原理及特点/ 44412.1.2 正极材料/ 44640744312.1.3 负极材料/ 46112.1.4 电解质/ 46512.

14、2 钠离子电池/46912.2.1 反应原理及特点/ 46912.2.2 正极材料/ 47012.2.3 负极材料/ 47512.3 镁离子电池和铝离子电池/48812.3.1 镁离子电池/ 48812.3.2 铝离子电池/ 489参考文献/491010J.*!$E锂离子电池是由高脱锂电位材料和低嵌锂电位材料为正负极构成的电池体系。由于整个电化学过程中锂以离子形式存在不形成金属锂,从而根本上避免了锂枝晶的形成。锂离子电池既保留了锂电池高比能量的优点,又避免了锂电池的不安全性,因此锂离子电池在便携式电子器件和电动汽车领域得以广泛应用。锂离子电池的制造是将正极材料、负极材料、隔膜和电解液等原材料,

15、通过正负极片制备、装配、注液和化成等工序组装成电池的过程。本章首先介绍了锂离子电池的电化学原理,然后概述了锂离子电池的主要原材料、制造过程,最后介绍了 锂离子电池性能、发展历程、特点及应用。.11锂离子电池电化学原理1.1.1 化学原理$e.R Ue. fi$Li+Li+$ 这里以采用钴酸锂为正极材料、石墨为负极材料为例来介绍锂离子电池的化 学原理。在充电过程中,锂离子从正极中脱出,然后嵌入到负极石墨材料中,形成锂离子的石墨嵌入化合物; 而在放电过程中, 锂离子从石墨嵌入化合物中脱出,重新嵌入到正极材料中,如图1-1所示。锂离子电池充放电时,相当于锂离子在正极和负极之间来回运动, 因此锂离子电

16、池最初被形象地称为 “摇椅式电池”(rackingchairbattery)。 图1-1 锂离子电池反应原理图 (钴酸锂和石墨层状化合物)003010 / J.*! E放电锂离子电池在充放电时,正负极材料的化合价会发生变化。在常温常压下发生总的氧化还原反应如下1:Li1-xCoO2+LixC6 充电 LiCoO2+6C(1-1)放电过程中的电极反应为:正极 (还原反应,得电子)Li1-xCoO2+xLi+ +xe- LiCoO2(1-2)负极 (氧化反应,失电子)LixC6 6C+xLi+ +xe-(1-3)充电过程中的电极反应与上述式(1-2)、式(1-3)反应过程相反。因此,当采用钴酸锂为

17、正极材料和石墨为负极材料时,由于上述氧化还原反 应具有良好的可逆性,锂离子电池循环性能优异;由于石墨嵌锂化合物密度低, 锂离子电池质量比能量高;由于氧化还原电对 Li+/Li的电位在金属电对中最负,锂离子电池的工作电压和比能量高。由反应式(1-1) 可以看出, 理论上锂离子电池的正负极活性物质分别为 Li1-xCoO2 和 LixC6,但是由于 Li1-xCoO2 和 LiC6 制备过程复杂,且在空气中不稳定,难以直接制造电池。因此,人们通常采用反应式(1-1) 的生成物钴酸锂和石墨作为正负极原材料装配成电池,此时电池处于没有电的状态,只有充电以后上述两种材料转化为活性物质才能自发放电,向外界

18、提供电能。1.1.2 电池结构及分类锂离子电池通常包含正极、负极、隔膜、电解液和壳体等几个部分。正负极通常采用一定孔隙的多孔电极,由集流体和粉体涂覆层构成 (图1-2)。负极极片由铜箔和负极粉体涂覆层构成,正极极片为铝箔和正极粉体涂覆层构成,正负极粉体涂覆层由活性物质粉体、导电剂、黏结剂及其他助剂构成。活性物质粉体间和粉体颗粒内部存在的孔隙可以增加电极的有效反应面积,降低电化学极化。同时由于电极反应发生在固-液两相界面上, 多孔电极有助于减少锂离子电池充电过程中枝晶的生成,有效防止内短路。 flfi 3fl图1-2 电极结构常见的锂离子电池按照外形分为扣式电池、方形电池和圆柱形电池。这里首先介

19、绍结构最简单的扣式锂离子电池, 如图1-3 所示。扣式电池包括圆形正极片、负极片、隔膜、不锈钢壳体、盖板和密封圈,其中正负极片通常是集流体单面涂覆,两者之间由隔膜隔开,壳体内加有电解液,密封圈在密封的同时还将壳 体与盖板绝缘,壳体和盖板可以直接做正负极引出端子。005 3fl flfi fi 3fl flfi flfifi fl图1-3 扣式电池的结构示意图 方形电池和圆柱形电池的正负极极片集流体采用双面涂覆,结构如图1-4 所示。方形电池按照正极-隔膜-负极顺序排列, 采用叠片或卷绕工艺装配成矩形电芯,然后封装入方形的铝壳体或不锈钢壳体或铝塑复合膜软包装壳体中。其中将软包装作为壳体时,正极极

20、耳和负极极耳直接引出作为正负极引出端子。圆柱形电池正负极极片采用卷绕工艺装配成圆柱形电芯, 一般封装于圆柱形金属壳体内。 ; y fl图1-4 方形电池和圆柱形电池结构示意图锂离子电池的分类方法有很多,可以按外形、壳体材料、正负极材料、电解010 / J.*! E液和用途等进行分类。按外形分为扣式电池、圆柱形电池和方形电池,按电解液分为液体电解质电池、凝胶电解质电池和聚合物电解质电池,按正负极材料分为磷酸铁锂电池、三元材料电池和钛酸锂电池等,按壳体材料分为钢壳电池、铝壳电池和软包装电池等,按用途分为3C 电池和动力电池等。方形电池型号通常用厚度+ 宽度+ 长度表示, 如型号 “485098”

21、中48 表示厚度为4.8mm,50表示宽度为50mm,98 表示长度为98mm; 圆柱形电池通常用直径+长度+0表示,如型号 “18650”中18 表示直径为18mm,65 表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。.12锂离子电池原材料及制造锂离子电池原材料主要有正极材料、负极材料、电解液和隔膜。正负极材料通常为微米级粉体材料。已经商业化的正极材料有钴酸锂 (LiCoO2 )、锰酸锂 (LiMn2O4)、三元 材料 (LiNix MnyCozO2 ) 和磷酸铁锂 (LiFePO4 ) 等, 其中 LiCoO2 主要用于3C 电池领域。目前负极材料有石墨材料、硬炭材料、软炭材料、钛酸锂、Si基材

22、料和Sn基材料, 其中石墨负极材料应用最广。电解液通常为液体电解质和凝胶电解质,常用的锂盐为六氟磷酸锂 (LiPF6),有机溶剂为碳酸乙烯酯 (EC)、碳 酸二甲酯 (DMC)、碳 酸二乙酯 (DEC) 和碳酸甲乙酯 (EMC)等的混合液。隔膜通常为聚乙烯 (PE) 单层多孔膜、聚丙烯 (PP) 单层多孔膜和PP/PE/PP 三层多孔膜。电池壳体材料为铝塑复合膜、铝壳体和不锈钢壳体。辅助材料包括导电剂、黏结剂和集流体等。导电剂为炭黑、气相生长碳纤维 (VGCF) 和碳纳米管等; 黏结剂有聚偏氟乙烯 (PVDF) 和丁苯橡胶 (SBR)等,其中PVDF 可用于正极和负极,SBR 通常用于负极。正

23、极集流体为铝箔,正极极耳为铝片;负极集流体为铜箔,负极极耳为镍片。锂离子电池制造工艺通常包括极片制备、电芯装配、注液、化成和分容分选等主要过程。以方形铝壳锂离子电池为例介绍制备生产工艺流程, 如图1-5 所示。极片的制备首先是将正负极活性粉体材料、黏结剂、溶剂和导电剂混合,经 过搅拌分散使各组分分散均匀制得浆料,然后将浆料均匀涂于集流体上并烘干, 再将极片经过辊压、分切制得所需尺寸的正负极极片。装配过程包括在正负极片上焊接上正负极极耳,再与隔膜一起卷绕或叠片制成电芯,然后将电芯封装入方 形的铝壳体或不锈钢壳体或铝塑复合膜软包装壳体中。注液化成和老化过程是将装配好的电池经过烘干后注入电解液。然后

24、将注液后的电池充电进行化成, 最后在一定温度的环境中储存一段时间进行老化。分容分选是对电池进行测 试,按电池容量、内阻、厚度、电压等指标分成不同等级产品。最后进行包装和出厂。 fi $fi fi $fi flfi flfi $ $ + +yfl yfl/ yyflfi ) 图1-5 方形铝壳体电池的生产工艺流程.13锂离子电池性能1.3.1 电化学性能锂离子电池的电化学性能包括电动势、内阻、电压、电压特性、容量、充放电特性、循环性能、自放电和储存特性。本节主要讨论锂离子电池电化学性能的概念及其测试方法。1.3.1.1 电池电动势电动势是指单位正电荷从电池的负极到正极由非静电力所做的功,常被称为

25、 “电压”。在等温等压条件下,体系发生热力学可逆变化时,吉布斯自由能的减小等于对外所做的最大非膨胀功,如果非膨胀功只有电功,则吉布斯自由能的增量007010 / J.*! E和电池可逆电动势分别可用式(1-4)和式(1-5)表示:GT,p =-nFE(1-4)nFE=-GT,p(1-5)式中,E 为电池可逆电动势;GT,p 为电池氧化还原反应吉布斯自由能的差值;n为电池在氧化或还原反应中电子的计量系数;F 为法拉第常数。GT,p 为电池化学能转变为电能的最大值,E 为电池电动势的最大值。它们只与氧化还原反应的体系有关,与氧化还原进行的具体路径无关。实际电池中, 化学能转变为电能通常以热力学不可

26、逆方式进行,因此实际电池正负极之间的电动势一定小于E。1.3.1.2 电池内阻电池内阻 (Ri)是指电流流过电池内部所受到的阻力,包括欧姆电阻 (R )和极化电阻 (Rf)。欧姆电阻是由电极材料、电解液、隔膜、集流体和极耳等部件的电阻及各部件的接触电阻组成,而电极与电解液之间的接触电阻不属于欧姆电阻。极化电阻是电化学反应时由极化引起的电阻,与电极和电解液界面的电化学反应速度及反应离子的迁移速度有关。极化电阻由电化学极化内阻和浓差极化 内阻组成。内阻对电池的电压特性有影响。内阻越小,电压特性通常越好。也就是说电池充电电压越低,放电电压越高。反之电压特性越差。电池内阻与普通的电阻不同,不能用普通万

27、用表测量,通常采用的是交流法进行测试。电池内阻与电池充 放电状态有关,不同状态的电池具有不同的内阻。1.3.1.3 电压、时率与倍率(1) 电压 开路电压是指外电路没有电流流过时正负电极之间的电位差(Uoc),一般开路电压小于电池电动势, 但通常情况下可以用开路电压近似替代电池的电动势。工作电压 (Ucc) 又称放电电压或负荷电压, 是指有电流通过外电路时,电池正负电极之间的电位差。当电流流过电池内部时,需要克服电池内 阻的阻力。因此工作电压总是低于开路电压,工作电压可用下式表示:Ucc=E-IRi(1-6)式中,Ucc为工作电压;E 为电池电动势;I 为工作电流;Ri 为电池内阻。电池的工作

28、电压与放电制度有关,当恒流放电时工作电压不断下降,降低到允许的最低电压时放电终止, 该电压是基于电池安全性和循环寿命的考虑设定的,称为放电终止电压,见图1-6。电池工作电压随放电时间变化的曲线称为放电曲线。在放电曲线中,电压变化相对平稳阶段的电压范围或放电时间称为电压平台。反之充电过程中电压逐渐升高,存在充电终止电压和充电电压平台。 3fi$fi$ fifi$ fi$8$fifi$8$3 $8 $fi1C$fi/V4.2 3.70092.5图1-6 锂离子电池典型充放电曲线0.1C0(2) 时率与倍率 当电池恒流充放电时, 电流的大小通常用时率或倍率表示。时率是指以一定的放电电流放完电池额定容

29、量所需的时间 (h)。例如,额定容量为5Ah的电池以5A 电流进行放电,则时率为5Ah/5A=1h,称1时率放电;以1A 电流进行放电,则时率为5Ah/1A =5h,称5时率放电。倍率指电池在放电时放电电流与额定容量的比值, 倍率通常采用C 表示。例如,额定容量为5Ah 的电池以5A 电流进行放电, 则倍率为5A/5Ah= 1C;以1A 电流进行放电,则倍率为1A/5Ah=0.2C。时率与倍率在数值上呈现倒数关系。在电池充放电时,基于安全和循环寿命考虑,电池存在最大的充电电流和放 电电流。而在电池恒压充电时,电池的电流不断降低, 当电流降低到足够小时, 充电过程终止,这个电流称为终止电流。1.

30、3.1.4 容量与比容量(1) 容量 电池容量是指在一定的放电条件下可以从电池获得的电量,电量单位一般为Ah或 mAh。分为理论容量、额定容量和实际容量。其中理论容量 (C0)是指电池正负电极中的活性物质全部参加氧化还原反应形成电流时,根据法拉第电解定律计算得到的电量。锂离子电池电极活性物质的理论容量可用下 式表示:MC0=Fnm0(1-7)式中,C0 为理论容量,Ah;F为经换算, 以 Ah/mol为单位的法拉第常数,F=26.8Ah/mol;m0 为活性物质的质量,g;M 为活性物质的摩尔质量,g/mol;n 为氧化还原反应得失电子数。实际容量是指在一定的放电条件下,实际从电池获得的电量。

31、当恒电流放电010 / J.*! E时,实际容量可用下式表示:C=It(1-8)电池的实际容量总是低于理论容量,所以活性物质的利用率可用下式表示:=C 100 =m1 100(1-9)C0m0式中,m0 为活性物质质量;m1 为活性物质实际参与反应的质量。锂离子电池实际容量的测试方法,通常是在205环境温度中,先以1C恒流充电至4.2V,再以4.2V 恒压充电至终止电流充满电;然后以1C 恒流放电至2.75V,所测得的放电实际容量。额定容量 (Cr)是在设计和制造电池时,电池在一定放电条件下规定应该放出的最低容量。电池的实际容量通常高于额定容量。(2) 比容量比容量是指单位质量或单位体积电池所

32、获得的容量,分别称为质量比容量 (Cm )或体积比容量 (CV )。比容量计算可用下式表示:mVCm =C或 CV =C(1-10)式中,Cm 为质量比容量,Ah/g;CV 为体积比容量,Ah/L;m 为电池质量;V 为电池体积。电池制备时,通常某一电极活性物质是过剩的,因此电池实际容量是由含有活性物质较少的电极决定的。为防止析出枝晶,锂离子电池中负极容量通常是过剩的,实际容量由正极容量来决定。同理,电极中单位质量或单位体积活性物质所获得的电量,称为活性物质的质量比容量或体积比容量。可用来对比不同活性物质的容量大小。这里以石墨为负极、钴酸锂为正极举例说明锂离子电池活性物质理论容量和比容量的具体

33、计算方法。锂离子电池的负极为 LiC6 时, 负极反应为:LiC6 Li+ +6C+e- ,1molLiC6 的理论容量为 26.8Ah/mol1mol=26.8Ah= 26800mAh,1molLiC6 的理论质量比容量为26800mAh/(12.016+6.94)g=339.24mAh/g。实际上,人们通常以石墨作为负极进行计算,石墨的比容量为26800mAh/(12.016)g=371.91mAh/g。与 此类似, 正极反应为 CoO2 + Li+ +e- LiCoO2,活性物质钴酸锂的比容量为273.83mAh/g。1.3.1.5 能量和比能量电池在一定条件下对外做功所能输出的电能叫做

34、电池的能量,单位一般用瓦时 (Wh)表示。分为理论能量和实际能量。理论能量 (W0)是在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 的条件下,电池所获得的能量,即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非膨胀功,可用下式表示:实际能量(W )W0=C0E=nFE是电池放电时实际获得的能量,可用下式表示:(1-11)011式中W 为实际能量C 为电池实际容量;Uav为电池平均工作电压,;W =CUav。(1-12)当锂离子电池标称电压为3.7V,容量为2200mAh时,电池的实际能量为 2.2Ah3.7V = 8.14W h, 单位换算为焦耳 (1W =1J/s) 时

35、的实际能量为29304J。V比能量也称能量密度,是指单位质量或单位体积电池所获得的能量,称为质量比能量或体积比能量。理论质量比能量根据正、负两极活性物质的理论质量比 容量和电池的电动势计算。实际比能量是电池实际输出的能量与电池质量 (或体积)之比,可用下式表示:mWm =W或 WV =W(1-13)式中,W m 为质量比能量,Wh/g;WV 为体积比能量, Wh/L;m 为电池质量;V 为电池体积。1.3.1.6 功率和比功率电池的功率是指在一定放电制度下,单位时间内电池所获得的能量,单位为W 或kW。分为理论功率和实际功率,电池理论功率 (P0)可用下式表示:tP0=W0 =IE(1-14)

36、实际功率 (P)可用下式表示:P=IU=I(E-IRi)=IE-I2Ri(1-15)比功率也称功率密度,是指单位质量或单位体积电池所获得的功率,单位为W/kg或 W/L。比功率的大小表示电池承受工作电流的大小。动力锂离子电池在电动汽车启动和爬坡等情况下需要大电流放电,消耗功率大,对电池提出了更大的功率要求。1.3.1.7 循环寿命锂离子电池的寿命包括使用寿命、充放电寿命和储存寿命。在一定的放电制 度下,锂离子电池经历一次充放电,称为一个周期。充放电寿命为在电池容量降至规定值 (常以初始容量的百分数表示, 一般规定为60 ) 之前可反复充放电的总次数。使用寿命为电池容量降至规定值之前反复充放电过

37、程中累积的可放电 时间之和。而储存寿命是指在不工作状态下,电池容量降至规定值的时间。锂离子电池常用的寿命为充放电寿命。1.3.1.8 自放电和储存性能电池的自放电和储存性能都是指电池在开路状态下,在一定温度和湿度等条010 / J.*! E件下储存过程中, 电池的电压和容量等性能参数随时间的变化特性。一般情况下,随着储存时间的延长,电池的电压和容量逐渐减小。储存性能与自放电一般用容量保持率来表示,通常先以0.2C 倍率充满电, 在20 5 搁置一段时间后,再以0.2C 的倍率放电测定容量。自放电测试的储存时间较短, 一般为28天;储存性能测试时间较长,为12 个月。有时也用电池开路电压的保持率

38、来表示储存性能和自放电。如果对储存后的电池进行再次充放电,电池容量回升的部分就是可恢复的容 量,其余就是不可逆容量。储存性能和储存寿命有关,通常储存性能越好,储存寿命越长,反之亦然。1.3.2 安全性能锂离子电池在使用过程中不可避免地存在各种使用不当的情况,根据电池不 同的使用情况制定了许多安全标准和测试方法,以保证电池在电化学作用、机械作用、热作用和环境作用等条件下的安全性能。电化学作用包括过充电、过放电、外部短路和强制放电等。例如, 过充电测试方法和标准: 将电池放完电后, 先恒流充电至试验电压 (4.8V), 再恒压充电一段时间, 要求电池不起火、不爆炸。短路测试方法和标准: 电池完全充

39、满电后, 将电池放置在恒温 (20 5 ) 环境中, 用导线连接电池正负极端,短接一定时间 (24h), 要求电池不起火、不爆炸, 最高温度不超过规定值(150 )。机械作用包括跌落、冲击、钉刺、挤压、振动和加速等。例如,针刺测试方法和标准:用耐高温钢针以一定速度 (1040mm/s),从垂直于电池表面方向贯穿,要求电池不爆炸、不起火。振动测试方法和标准:将电池充满电后,将电池紧固在振动试验台上,进行振动测试 (正弦测试: 每个方向进行12 个循环, 各方向循环时间共计3h的振动),电池不起火、不爆炸、不漏液。热作用包括焚烧、沙浴、热板、热冲击、油浴和微波加热等。例如,热安全测试方法和标准:将

40、电池充满电后放入试验箱中,试验箱以一定温升速率 (5/min)升温到一定温度 (130)后恒温一定时间 (30min),要求电池不起火、不爆炸。环境作用包括减低气体压力、浸没于不同液体中、处于不同高度和处于多菌环境等。例如,低气压测试方法和标准:将电池充满电后,放置于恒温 (20 5)真空箱 中, 抽真空将压强降至一定压强 (11.6kPa), 并保持一定时间 (6h),要求电池不起火、不爆炸、不漏液。随着锂离子电池行业的发展和技术进步,上述测试方法和标准的具体参数会 更加严格。.14锂离子电池发展历程、特点及应用1.4.1 锂离子电池发展历程1972年,Exxon公司设计了以 TiS2 为正极、金属锂为负极的二次电池,但是在循环过程中金属锂表面容易形成锂枝晶,刺穿隔膜导致内短路,容易起火爆炸2。尽管锂二次电池一度成功实现了产业化, 但是由于安全问题最终退出市场。为了解决这个