鋰電池 技術(shù)白 皮 書

1、鋰離子電池介紹蘇州星恒電源有限公司目錄1、 星恒電源介紹 22、 名詞解釋 33、 各類鋰電池的介紹 54、 電池組的應(yīng)用及認(rèn)證 9 5、 鋰離子電池的應(yīng)用環(huán)境 9 6、 電池組的基本構(gòu)成及各部件的介紹 101、 蘇州星恒電源有限公司介紹蘇州星恒電源有限公司成立于2003年，星恒電源技術(shù)源于中國科學(xué)院物理研究所。依托中科院15年的技術(shù)儲備，和聯(lián)想集團(tuán)資金、管理的支持，星恒電源不斷發(fā)展壯大，在中國動力鋰電池行業(yè)處于領(lǐng)先地位，目前位置已有50多萬組產(chǎn)品得到海內(nèi)外市場驗證，。與此同時，星恒電源還作為國家863新能源汽車項目的鋰電池指定供應(yīng)商，為北京奧運會提供的新能源汽車圓滿完成任務(wù)；2010年的上海

2、世博會，星恒電源再次承擔(dān)起指定汽車鋰電池供應(yīng)商的重要任務(wù)。研發(fā)上的持續(xù)投入、國際間的技術(shù)交流、高端技術(shù)人才的引進(jìn)，使得星恒電源在核心技術(shù)上始終與國際接軌；并把多項國內(nèi)外自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)專利應(yīng)用星恒的生產(chǎn)工藝和鋰電池產(chǎn)品上。星恒的研發(fā)歷史1995年，中國科學(xué)院陳立泉院士在美國福特基金的支持下開始動力鋰電池的研究；2003年10月，公司總部及動力鋰電池生產(chǎn)基地落戶蘇州高新區(qū)，蘇州星恒電源有限公司成立；2004年12月，星恒鋰電池通過了美國ul認(rèn)證，成為了10ah級全球首家獲得ul認(rèn)證的動力鋰電池供應(yīng)商；2005年11月，星恒鋰電池通過了歐盟ce認(rèn)證；2006年1月，星恒鋰電池順利通過了德國ext

3、ra energy權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)的檢測；2007年底，星恒累計銷售鋰電池10萬組，產(chǎn)品開始遠(yuǎn)銷海外；2010年3月，星恒累計銷售鋰電池50多萬組，首家通過了batso認(rèn)證，并同國內(nèi)自行車巨頭和歐洲自行車巨頭開始了戰(zhàn)略性合作。a、星恒的治理結(jié)構(gòu)蘇州工廠聯(lián)合實驗室材料工廠成都地奧聯(lián)想投資深圳百利宏管理層持股北京分公司蘇州星電源有限公司b、星恒在治理結(jié)構(gòu)上的獨特之處：中科院物理所：作為星恒的技術(shù)來源和支持，鋰電池知識產(chǎn)權(quán)歸屬于星恒所有。因此，星恒是具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的企業(yè)；管理層持股：集中體現(xiàn)了國有企業(yè)和民營企業(yè)的優(yōu)勢，也是目前最適合鋰電池行業(yè)管理團(tuán)隊的形式之一；材料工廠：星恒具有關(guān)鍵原材料的專利技術(shù)，

4、因此，星恒的觸角延伸到了上游的材料產(chǎn)業(yè)。同合作伙伴共同研發(fā)的關(guān)鍵原材料，是星恒持續(xù)品質(zhì)提升的基礎(chǔ)；聯(lián)合實驗室：同中科院物理所合作成立的聯(lián)合實驗室，進(jìn)行持續(xù)的新型產(chǎn)品研發(fā)，引進(jìn)多項國內(nèi)外高精尖技術(shù)，確保星恒的產(chǎn)品在未來的競爭中始終保持領(lǐng)先的地位。c、星恒的技術(shù)路線基于產(chǎn)品安全性、電池組的優(yōu)良性能和成本的考慮，星恒電源使用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的改良性錳酸鋰作為正極材料。動力鋰電的應(yīng)用場合區(qū)別于小電池，電池在高倍率放電情況下需要熱量的均勻分布，所以電芯極片組采用層疊式工藝?？紤]到電動自行車、電動汽車的應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，外殼必須采用有一定的強度要求，星恒鋰電堅持硬殼包裝方式。保護(hù)電路是抗濫用的第一道防線，

5、星恒堅持自主開發(fā)保護(hù)鋰電池的保護(hù)電路，嚴(yán)格管控充電器技術(shù)要求。2、 鋰電池相關(guān)名詞解釋a 鋰離子電芯（cell） 電芯：直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的基本單元裝置，包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子等，并被設(shè)計成可充電。鋰離子電芯：含有機(jī)溶劑電解質(zhì)，利用儲鋰的嵌入化合物或單質(zhì)作正極和負(fù)極的蓄電池，未含有電子控制裝置。b 電池組（battery）由一個或多個單體電池連接而成的可以直接作為電源使用的組合體。它包括外殼、端子，還含有電子控制裝置。c 電池組容量（capacity） 電池的容量有標(biāo)稱容量與實際容量之分。標(biāo)稱容量：制造商標(biāo)稱的單體電池或電池組容量。指單體電池或電池組在環(huán)境溫度為232條件下，按

6、標(biāo)準(zhǔn)充電方法充滿電后，以2h率放電至終止電壓時所提供的電量值，用c2表示，單位為ah（安時）或mah（毫安時）。電池的實際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實際電量，主要受放電倍率、工作環(huán)境溫度等影響（故嚴(yán)格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條件）。容量常見單位有：mah、ah（1ah=1000mah）d 電池組的循環(huán)壽命（cycle life）電池的循環(huán)壽命不是指電池使用到完全不可以再進(jìn)行充放電時的次數(shù)，而是指電池經(jīng)100%深度放電其容量減至原來容量的60%左右時的充放電循環(huán)次數(shù)。星恒鋰電池組的循環(huán)壽命在600次以上。因為電池固有的化學(xué)特性，如果長時間擱置不用也會造成容量衰減，甚至造成壽命終結(jié)，

7、所以長時間不用只是擱置，大約過4年也會造成鋰電池的壽命終結(jié)。我們稱之為電池的日歷壽命。長時間擱置中的維護(hù)對電池非常重要，鋰電池制造商一般建議用戶每兩個月補充電2個小時。e 鋰電池的電壓標(biāo)稱電壓 （nominal voltage）用來表示單體電池或電池組電壓的適宜的近似值。 標(biāo)稱電壓根電池的自身化學(xué)特性有關(guān)，不受體積、外形等因素影響。例如錳酸鋰電芯的標(biāo)稱電壓是3.7v，磷酸鐵鋰的標(biāo)稱電壓是3.2v，而鎳氫電池的標(biāo)稱電壓是1.2v。充電截至電壓制造商根據(jù)電芯的化學(xué)特性和實際使用環(huán)境的限制而制定鋰電池充滿電的電壓值。星恒的鋰電池一般設(shè)定在4.25v。放電截至電壓制造商根據(jù)電芯的化學(xué)特性和實際使用環(huán)境

8、的限制而制定鋰電池終止放電的電壓值。星恒的鋰電池一般設(shè)定在2.7v。過充與過放當(dāng)某電芯充電后的電壓大于4.25v，我們稱之謂此電芯過充；當(dāng)某電芯放電至電壓小于2.7v，我們稱之謂此電芯過放；f 電池組的倍率性能（c-rate）指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常以字母c表示。如電池的標(biāo)稱額定容量為10ah，則10a為1c（1倍率），5a則為0.5c，30a為3c，依次類推。 g 電池組的自放電率 （selfdischarge rate）又稱荷電保持能力（charge or capacity retention），是指電池在開路狀態(tài)下，電池所

9、儲存的電量在一定條件下的保持能力。主要受電池的制造工藝、材料、儲存條件影響。自放電率是衡量電池性能的重要參數(shù)之一。注：電池充滿電開路擱置后，一定程度的自放電屬正?，F(xiàn)象。iec標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鎳氫及鎳鎘電池充滿后在202條件下開路擱置28天，可允許電池有35%40%的容量損失；鋰離子電池一般小于10%。h 電池組的放電深度（dod）指電池放出的容量占額定容量的百分?jǐn)?shù)。 減小放電深度可以大大延長蓄電池的使用壽命 過充過放對電池的壽命有損害。 i 電池組的內(nèi)阻（internal resistance）電池的內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。內(nèi)阻大小主要受電池材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的

10、影響。電池內(nèi)阻值大，會導(dǎo)致電池放電工作電壓降低，不能高倍率放電等現(xiàn)象，因此內(nèi)阻是衡量電池性能的一個重要參數(shù)。電池內(nèi)阻包含直流電阻和交流電阻。注：電池的內(nèi)阻需要用專用內(nèi)阻測試儀測量，而不能用萬用表歐姆檔測量。3、 各種鋰電池的介紹a、 按正極材料分類 ：鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰、磷酸鐵鋰鈷酸鋰錳酸鋰磷酸鐵鋰鎳鈷錳酸鋰耐過充氧化性很強一般弱強過充極限0.5c/6v3c/10v3c/10v0.5c/6v用作動力電池的安全性很不安全安全性能好安全性能好不安全安全容量1ah1030ah可達(dá)100ah/大功率能力好很好一般/價格昂貴低廉低廉一般鈷酸鋰材料用為最早應(yīng)用于鋰電池的材料，與錳酸鋰和其他正極材料相

11、比，其優(yōu)點是克容量高，僅次于二/三元材料，一般情況達(dá)到140mah/g，體積比能量最高，同時該材料的加工性能良好，應(yīng)用工藝很成熟，廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、mp3/4等小型電子設(shè)備中，但是鈷酸鋰材料的致命缺陷是材料的安全性能差，尤其是在過充的時候，當(dāng)正極中的鋰脫嵌到一定程度時，鈷酸鋰結(jié)構(gòu)會發(fā)生破壞，產(chǎn)生大量的氧，引起電芯的燃燒爆炸。二/三元材料，其結(jié)構(gòu)和鈷酸鋰類似，也是層狀結(jié)構(gòu)，材料的克容量最高，可以達(dá)到150mah/g，這也是采用三元材料的電芯在體積和重量上有優(yōu)勢的主要原因，但三元材料的安全性能與鈷酸鋰接近，尤其是做成容量超過5ah以上的電芯，在進(jìn)行濫用測試時，經(jīng)常發(fā)生燃燒或爆炸的安全性問

12、題；另外，二/三元材料的放電平臺低，僅有3.6v左右，與錳酸鋰材料相比，在相同容量的情況下，能量要低8-9%，并且在實際使用中，因控制器的關(guān)閉電壓較高，對三元材料的容量影響也較錳酸鋰材料電芯更大。在成本方面，由于使用了金屬鈷、鎳作為主要成分，價格較高，目前為180-200元/kg，綜合材料成本約為錳酸鋰的1.5倍。錳酸鋰材料屬尖晶石結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性好，制作的電芯安全性能優(yōu)越，能通過包括ul1642、basto、un38.3等各種安全性能測試。錳酸鋰電芯的最大缺點是比容量要低于三元材料。錳酸鋰制備的電芯，電性能比較穩(wěn)定，在正常情況下，電芯的循環(huán)性能超過600周。磷酸鐵鋰材料，是一種新興的正極材料，

13、與其他材料相比，電芯的循環(huán)性能較好，一般情況下，0.5-1.0c電流放電，1000周容量衰減約10-20%，電芯的安全性能也比較好，是未來一種比較理想的正極材料，但是，由于磷酸鐵鋰，從材料本身制備到應(yīng)用于此材料制作電芯的過程中，工藝還不成熟，三價鐵鋰子的控制難度大、材料導(dǎo)電能力差，有待進(jìn)一步提高，同時，磷酸鐵鋰的專利問題不可回避，這會是批量生產(chǎn)、銷售和使用難以逾越的一個障礙。目前市場上應(yīng)用于電動自行車的鋰電池主要是錳酸鋰和三元材料兩種，如下將這兩種材料的優(yōu)缺點做簡單對比項目三元材料錳酸鋰安全性材料三元材料中一般含鈷、鎳，其分子結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，分子易塌陷、脫氧，從而導(dǎo)致內(nèi)部安全問題錳酸鋰屬于尖晶

14、狀結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性好容量等級因為三元材料中含有活性很強的材料鈷，所以不適合做大容量的鋰電池，容量越大，安全越不容易保證錳酸鋰材料的安全等級更高，在20ah以下等級的鋰電池使用錳酸鋰材料有很高的安全等級工作性能重量和體積三元材料克容量和體積容量高，所以相同容量下，其體積較小錳酸鋰的克容量和體積容量較三元材料小，相同容量的重量較大能量因為三元材料中含有元素鎳，所以三元材料的鋰電池工作電壓平臺較錳酸鋰低（3.6v）,所以相同容量的電池，三元材料的電池能量較低錳酸鋰工作電壓平臺高（3.8-3.9v），所以相同容量的電池的能量高；約高5-10%。循環(huán)壽命三元材料鋰電池約前300次的循環(huán)比較平緩，但是過了這

15、個點電池會衰減的非?？?；錳酸鋰整個循環(huán)壽命曲線很平緩；目前星恒的電池組平均循環(huán)壽命在600次以上；成本成本三元材料成本高，大約是錳酸鋰的1.5倍錳酸鋰材料成本較三元材料低b、按外殼包裝分硬殼、鋁塑膜目前國內(nèi)可以生產(chǎn)的動力電池，從外殼上可以分成硬殼和鋁塑膜兩種，一些采用鋁塑膜作為電芯外殼的廠家自稱是聚合物電芯，實際上，他只是采用了解聚合物電芯的包裝形式，實質(zhì)上是一種液態(tài)軟包裝電芯，和硬殼電芯相比，僅僅是包裝材料有有差別，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)體系和工藝方案完全是一樣的，其電化學(xué)性能基本上是一致的，沒有本質(zhì)區(qū)別。從電芯的外殼上來區(qū)分，目前應(yīng)用于電動自行車的鋰電池主要有鋼殼和鋁塑膜兩種包裝，以下就這兩種包裝

16、的電芯對比：硬殼鋁塑膜安全性能安全性能好，在電芯跌落、振動、磕碰時，不會產(chǎn)生安全隱患；電芯安全性能的設(shè)計比較關(guān)鍵，對電芯的安全性有重要影響因為采用的是鋁塑膜包裝，包裝層厚度僅0.08-0.15mm，輕微的跌落、振動或磕碰時，會引起包裝膜的破損，造成安全隱患；重量比能量一般高，星恒電源的單體電芯，10ah電芯的重量相差約60g循環(huán)性能正常情況下，循環(huán)性能超過600周，可以達(dá)到800-1000周由于采用了鋁塑膜作為外包裝，而電芯內(nèi)部實際上仍和硬殼一樣，在封裝時，必須采用抽真空封口方式，造成的結(jié)果是電芯內(nèi)部電解液量偏少，對電芯的300周后的循環(huán)產(chǎn)生不良影響貯存性能電芯的密封采用的是激光焊接密封，電芯

17、內(nèi)部處于全封閉狀態(tài)，外界的雜質(zhì)，尤其是水不會對電芯性能產(chǎn)生影響，電芯可以在很長的時間內(nèi)保持電性能穩(wěn)定電芯包裝采用的是cpp熱封方式密封，不管密封層有多厚，但是cpp是會透水的，在長時間放置時，環(huán)境中的水分會透過cpp滲透到電芯內(nèi)部，當(dāng)水進(jìn)入到電芯內(nèi)部時，會對電芯的性能產(chǎn)生致命的影響c、按極片結(jié)構(gòu)分層疊式、卷繞式電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為疊層式和卷繞式兩種。對于容量較?。ㄒ话阒感∮?ah）的電芯，因為其工作中產(chǎn)熱量相對較小，同時從批量操作可行性考慮，基本上采用卷繞方式要更多一些，而大容量電芯，則以疊層方式為主。卷繞電芯和疊層方案對電芯性能的影響主要表現(xiàn)以幾下幾個方面：1、電芯內(nèi)部熱量分布有差異：層疊式

18、層疊電芯在工作時熱量分布比較均勻，不會因為高倍率（大電流）放電時電池內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的溫度差。卷繞式2、卷繞電芯內(nèi)部，在卷繞過程中，會存在一定的應(yīng)力，當(dāng)電芯在充放電的時候，會造成應(yīng)力較大部分的極片產(chǎn)生脫料、容量發(fā)揮欠佳等情況，嚴(yán)重的會影響到電芯的安全性能；3、卷繞電芯必須在極片上焊接金屬的極耳，此金屬極耳的厚度和硬度遠(yuǎn)高于極片本身，在卷繞過程中，易對隔膜造成壓傷，在循環(huán)過程中，這種壓傷會慢慢擴(kuò)大，會導(dǎo)致電芯產(chǎn)生安全性問題；4、因為卷繞電芯在工作時產(chǎn)熱量不均勻，尤其是金屬極耳部分，產(chǎn)熱量更高，這樣極片的不同部位的工作環(huán)境產(chǎn)生差異，溫度高的部分，循環(huán)性能變差，最終導(dǎo)致整個電芯的電性能失效。層疊式卷繞式

19、示意圖優(yōu)點1、 溫度分布均勻2、 電芯內(nèi)阻小3、 內(nèi)部沒有應(yīng)力存在1、 體積能量密度大2、 易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)自動化缺點1、 體積能量密度小2、 市場上買不到現(xiàn)成的產(chǎn)業(yè)自動化設(shè)備1、 內(nèi)部溫度分度不均勻2、 內(nèi)部有應(yīng)力存在3、 電芯內(nèi)阻大安全性疊層式電芯內(nèi)部溫度分布均勻、沒有應(yīng)力存在且電芯內(nèi)阻小，從設(shè)計的角度發(fā)生異常的幾率大大降低，安全性大大提升；在放電過程中由于內(nèi)部溫度分布的不均勻、電芯內(nèi)阻大且存在內(nèi)部應(yīng)力，從設(shè)計的角度出發(fā)，大大提升了電芯內(nèi)部發(fā)生異常的幾率，存在安全隱患；功能性由于內(nèi)部溫度分布均勻加上內(nèi)阻小，使電芯在放電過程中的溫升大大降低，對電池的循環(huán)壽命有很大的好處；由于電芯的內(nèi)阻小，實際放電

20、過程中電芯的溫升小，所以比較適合于大電流放電，電池的倍率性能好；放電時溫度分布不均勻，且電芯內(nèi)阻大，容易造成電芯內(nèi)部的溫度高的地方先衰竭，造成電池的循環(huán)壽命降低；同時因為溫度分布不均勻和內(nèi)阻大也不適合于高倍率放電，電池的倍率性能不好；d、按電解液狀態(tài)分液態(tài)、固態(tài)鋰離子電池按照電池內(nèi)部電解液來分類可分為液態(tài)、固態(tài)兩種。目前市場應(yīng)用的鋰電基本使用是液態(tài)電解液，即使聚合物電池也是采用基本液態(tài)電解液。4、 星恒鋰電池的認(rèn)證序號認(rèn)證名稱說明星恒電池組認(rèn)證情況1un38.3聯(lián)合國危險物品運輸試驗和標(biāo)準(zhǔn)手冊的第3部分38. 3款，即鋰電池作為危險品運輸，必須通過高度模擬、高低溫循環(huán)、振動試驗、沖擊試驗、 5

21、5外短路、撞擊試驗、過充電試驗、強制放電的測試，以確保運輸過程中不會有安全問題發(fā)生。2008年3月通過un38.3認(rèn)證2un3480un3480是鋰離子電池作為危險品運輸必須遵守的包裝規(guī)范，該規(guī)范規(guī)定了鋰離子電池必須通過un38.3的測試認(rèn)證，同時還要滿足相關(guān)的包裝及標(biāo)示要求；符合un3480的標(biāo)準(zhǔn)3ce主要是針對電池組的電磁輻射和電磁兼容作認(rèn)證，主要參考標(biāo)準(zhǔn)是en61000-6-3 和en61000-6-1。星恒所有的電池組均通過ce認(rèn)證4ul1642ul1642 是針對鋰電池電芯的安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，是北美權(quán)威的關(guān)于鋰電池安全測試的標(biāo)準(zhǔn)；2004年11月星恒10ah級電芯全球首家通過ul認(rèn)證5ul2054ul2054是針對鋰電池組的安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)2008年初星恒進(jìn)入北美市場的電池組通過ul認(rèn)證6en15194en15194規(guī)定最大連續(xù)功率不大于250w的電動助力兩輪車及其零部件在沒計、組裝方面的安全性能要求與檢測方法,同時涉及到對直流電壓為48v的電氣部件或使用230v外接電源電池充電器的相關(guān)要求。符合en15194中電池相關(guān)的測試要求72006/66/ec該指令是針對電池產(chǎn)品的環(huán)保要求提出具體要求，包括電池產(chǎn)品有