鋰離子電池知識簡介

1、鋰離子電池知識簡介第一節(jié) 鋰離子電池基礎(chǔ)知識一般而言,鋰離子電池有三部分構(gòu)成:1.鋰離子電芯2.保護(hù)電路(PCM)3.外殼即膠殼電池的分類從鋰離子電池與手機(jī)配合情況來看,一般分為外置電池和內(nèi)置電池,這種叫法很容易理解,外置電池就是直接裝在手上背面,如: MOTOROLA 191,SAMSUNG 系列等;而內(nèi)置電池就是裝入手機(jī)后,還另有一個外殼把其扣在手機(jī)電池內(nèi),如:MOTOROLA998,8088,NOKIA的大部分機(jī)型1.外置電池外置電池的封裝形式有超聲波焊接和卡扣兩種:1.1超聲波焊接外殼這種封裝形式的電池外殼均有底面殼之分,材料一般為ABS+PC料,面殼一般噴油處理,代表型號有 :MOT

2、OROLA 191,SAMSUNG 系列,原裝電池的外殼經(jīng)噴油處理后長期使用一般不會磨花,而一些品牌電池或水貨電池用上幾天外殼噴油就開始脫落了.其原因為:手機(jī)電池的外殼較便宜,而噴油處理的成本一般為外殼的幾倍(好一點的),這樣處理一般有三道工序:噴光油(打底),噴油(形成顏色),再噴亮油(順序應(yīng)該是這樣的,如果我沒記錯的話),而一些廠商為了降低成本就省去了第一和第三道工序,這樣成本就很低了.超聲波焊塑機(jī)其作用為:行業(yè)內(nèi)比較好的國產(chǎn)超聲波焊塑機(jī)應(yīng)該是深圳科威信機(jī)電公司生產(chǎn)的.焊接有了好的超聲波焊塑機(jī)不夠的,是否能夠焊接OK,還與外殼的材料和焊塑機(jī)參數(shù)設(shè)置有很大關(guān)系,外殼方面主要與生產(chǎn)廠家的水口料

3、摻雜情況有關(guān),而參數(shù)設(shè)置則需自己摸索,由于涉及到公司一些技術(shù)資料,在這里不便多講.1.2卡扣式卡扣式電池的原理為底面殼設(shè)計時形成卡扣式,其一般為一次性,如果卡好后用戶強(qiáng)行折開的話,就無法復(fù)原,不過這對于生產(chǎn)廠家來講不是很大的難度(卡好后再折開),其代表型號有:愛立信788,MOTOROLA V66.2.內(nèi)置電池內(nèi)置電池的封形式也有兩種,超聲波焊接和包標(biāo)(使用商標(biāo)將電池全部包起)超聲波焊接的電池主要有:NOKIA 8210,8250,8310,7210等.包標(biāo)的電池就很多了,如前兩年很滸的MOTO998 ,8088了. 第二節(jié) 鋰離子電芯的基本知識鋰離子電芯是一種新型的電池能源，它不含金屬鋰，在

4、充放電過程中，只有鋰離子在正負(fù)極間往來運(yùn)動，電極和電解質(zhì)不參與反應(yīng)。鋰離子電芯的能量容量密度可以達(dá)到300Wh/L，重量容量密度可以達(dá)到125Wh/L。一、 電芯原理鋰離子電芯的反應(yīng)機(jī)理是隨著充放電的進(jìn)行，鋰離子在正負(fù)極之間嵌入脫出，往返穿梭電芯內(nèi)部而沒有金屬鋰的存在，因此鋰離子電芯更加安全穩(wěn)定。其反應(yīng)示意圖及基本反應(yīng)式如下所示：二、 電芯的構(gòu)造電芯的正極是LiCoO2加導(dǎo)電劑和粘合劑，涂在鋁箔上形成正極板，負(fù)極是層狀石墨加導(dǎo)電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上，目前比較先進(jìn)的負(fù)極層狀石墨顆粒已采用納米碳。根據(jù)上述的反應(yīng)機(jī)理，正極采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一種層

5、結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定的晶型，但當(dāng)從LiCoO2拿走XLi后，其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，但是否發(fā)生變化取決于X的大小。通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)X0.5時Li1-XCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒終結(jié)。所以電芯在使用過程中應(yīng)通過限制充電電壓來控制Li1-XCoO2中的X值，一般充電電壓不大于4.2V那么X小于0.5 ，這時Li1-XCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。負(fù)極C6其本身有自己的特點，當(dāng)?shù)谝淮位珊?，正極LiCoO2中的Li被充到負(fù)極C6中，當(dāng)放電時Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負(fù)極C6中，心以保證下次充放電Li的正常嵌入，否則電芯的壓倒很短，為了保證有一部

6、分Li留在負(fù)極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實現(xiàn)。所以鋰電芯的安全充電上限電壓4 .2V，放電下限電壓2.5V。三、 電芯的安全性電芯的安全性與電芯的設(shè)計、材料及生產(chǎn)工藝生產(chǎn)過程的控制等因素密切相關(guān)。在電芯的充放電過程中，正負(fù)極材料的電極電位均處于動態(tài)變化中，隨著充電電壓的增高，正極材料（LixCoO2）電位不斷上升，嵌鋰的負(fù)極材料（LixC6）電位首先下降，然后出現(xiàn)一個較長的電位平臺，當(dāng)充電電壓過高（ 4.2V）或由于負(fù)極活性材料面密度相對于正極材料面密度(C/A)比值不足時,負(fù)極材料過度嵌鋰，負(fù)極電位則迅速下降，使金屬鋰析出(正常情況下則不會有金屬鋰的的析出)，這樣會對電芯的性能及安全

7、性構(gòu)成極大的威脅。電位變化見下圖：在材料已定的情況下，C/A太大，則會出現(xiàn)上述結(jié)果。相反，C/A太小，容量低，平臺低，循環(huán)特性差。這樣，在生產(chǎn)加工中如何保證設(shè)計好的C/A比成了生產(chǎn)加工中的關(guān)鍵。所以在生產(chǎn)中應(yīng)就以下幾個方面進(jìn)行控制：1.負(fù)極材料的處理1)將大粒徑及超細(xì)粉與所要求的粒徑進(jìn)行徹底分離，避免了局部電化學(xué)反應(yīng)過度激烈而產(chǎn)生負(fù)反應(yīng)的情況，提高了電芯的安全性。2）提高材料表面孔隙率，這樣可以提高10%以上的容量，同時在C/A 比不變的情況下，安全性大大提高。處理的結(jié)果使負(fù)極材料表面與電解液有了更好的相容性，促進(jìn)了SEI膜的形成及穩(wěn)定上。2.制漿工藝的控制1)制漿過程采用先進(jìn)的工藝方法及特殊

8、的化學(xué)試劑，使正負(fù)極漿料各組之間的表面張力降到了最低。提高了各組之間的相容性，阻止了材料在攪拌過程“團(tuán)聚”的現(xiàn)象。2)涂布時基材料與噴頭的間隙應(yīng)控制在0.2mm以下，這樣涂出的極板表面光滑無顆粒、凹陷、劃痕等缺陷。3)漿料應(yīng)儲存6小時以上，漿料粘度保持穩(wěn)定，漿料內(nèi)部無自聚成團(tuán)現(xiàn)象。均勻的漿料保證了正負(fù)極在基材上分布的均勻性，從而提高了電芯的一致性、安全性。3.采用先進(jìn)的極片制造設(shè)備1)可以保證極片質(zhì)量的穩(wěn)定和一致性，大大提高電芯極片均一性，降低了不安全電芯的出現(xiàn)機(jī)率。2)涂布機(jī)單片極板上面密度誤差值應(yīng)小于2%，極板長度及間隙尺寸誤差應(yīng)小于2mm。3)輥壓機(jī)的輥軸錐度和徑向跳動應(yīng)不大于4m，這樣

9、才能保證極板厚度的一致性。設(shè)備應(yīng)配有完善的吸塵系統(tǒng)，避免因浮塵顆粒而導(dǎo)致的電芯內(nèi)部微短路，從而保證了電芯的自放電性能。4)分切機(jī)應(yīng)采用切刀為輥刀型的連續(xù)分切設(shè)備，這樣切出的極片不存在荷葉邊，毛刺等缺陷。同樣設(shè)備應(yīng)配有完善的吸塵系統(tǒng)，從而保證了電芯的自放電性能。4.先進(jìn)的封口技術(shù)目前國內(nèi)外方形鋰離子電芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口技術(shù)，它是利用YAG棒（釔鋁石榴石）激光諧振腔中受強(qiáng)光源（一般為氮燈）的激勵下發(fā)出一束單一頻率的光（=1.06mm）經(jīng)過諧振折射聚焦成一束，再把聚焦的焦點對準(zhǔn)電芯的筒體和蓋板之間，使其熔化后親合為一體，以達(dá)到蓋板與筒體的密封熔合的目的。為了達(dá)到密封焊，必須掌握

10、以下幾個要素：1)必須有能量大、頻率高、聚焦性能好、跟蹤精度高的激光焊機(jī)。2)必須有配合精度高的適用于激光焊的電芯外殼及蓋板。3)必須有高統(tǒng)一純度的氮?dú)獗Ｗo(hù)，特別是鋁殼電芯要求氮?dú)饧兌雀?，否則鋁殼表面就會產(chǎn)生難以熔化的Al2O3（其熔點為2400）。四、電芯膨脹原因及控制鋰離子電芯在制造和使用過程中往往會有腫脹現(xiàn)象，經(jīng)過分析與研究，發(fā)現(xiàn)主要有以下兩方面原因：1鋰離子嵌入帶來的厚度變化電芯充電時鋰離子從正極脫出嵌入負(fù)極，引起負(fù)極層間距增大，而出現(xiàn)膨脹，一般而言，電芯越厚，其膨脹量越大。2 工藝控制不力引起的膨脹在制造過程中，如漿料分散、C/A比離散性、溫度控制都會直接影響電芯電芯的膨脹程度。特別

11、是水，因為充電形成的高活性鋰碳化合物對水非常 敏感，從而發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體造成電芯內(nèi)壓升高，增加了電芯的膨脹行為。所以在生產(chǎn)中，除了應(yīng)對極板嚴(yán)格除濕外，在注液過程中更應(yīng)采用除濕設(shè)備，保證空氣的干燥度為HR2%，露點（大氣中的濕空氣由于溫度下降,使所含的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)而開始凝結(jié)時的溫度）小于-40。在非常干燥的條件下，并采取真空注液，極大地降低了極板和電解液的吸水機(jī)率。五、鋁殼電芯與鋼殼電芯安全性比較鋁殼相對于鋼殼具有很高的安全優(yōu)勢，以下是不同的壓力實驗：注：壓力是電芯壓力為電芯內(nèi)部之壓力（單位：Kg），表內(nèi)數(shù)據(jù)為電芯之厚度(單位：mm)由此可見鋼殼對內(nèi)壓反映十分遲鈍，而鋁殼

12、對內(nèi)壓反應(yīng)卻十分敏銳。因此從厚度上就基本能判斷出電芯的內(nèi)壓，而鋼殼電芯往往隱含著內(nèi)壓帶來的不安全隱患。其中鋼殼電芯型號為。第三節(jié) 鋰離子電池保護(hù)線路(PCM)由第二節(jié)鋰離子電芯的知識我們可以看出,鋰離子電池至少需要三重保護(hù)-過充電保護(hù),過放電保護(hù),短路保護(hù),那么就應(yīng)而產(chǎn)生了其保護(hù)線路,那么這個保護(hù)線路針對以上三個保護(hù)要求而言:過充電保護(hù): 過充電保護(hù) IC 的原理為：當(dāng)外部充電器對鋰電池充電時，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時，保護(hù) IC 需檢測電池電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá) 4.25V 時（假設(shè)電池過充點為 4.25V）即啟動過度充電保護(hù)，將功率 MOS 由開轉(zhuǎn)為切斷，進(jìn)而截止充電。

13、過放電保護(hù): 過放電保護(hù) IC 原理：為了防止鋰電池的過放電，假設(shè)鋰電池接上負(fù)載，當(dāng)鋰電池電壓低于其過放電電壓檢測點（假定為 2.5V）時將啟動過放電保護(hù)，使功率 MOSFET 由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹姡员苊怆姵剡^放電現(xiàn)象產(chǎn)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式，此時的電流僅 0.1uA。 當(dāng)鋰電池接上充電器，且此時鋰電池電壓高于過度放電電壓時，過度放電保護(hù)功能方可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過放電檢測電路設(shè)有延遲時間以避免產(chǎn)生誤動作。過放電保護(hù)及過充電保護(hù)IC主要生產(chǎn)廠家有:美上美(MITSUMI),精工,臺灣富晶(DW01,FS301,302),理光,MOTOROLA等封裝形式主要為SOT26,SOT6過電流及短路電流因為不明原因（放電時或正負(fù)極遭金屬物誤觸）造成過電流或短路，為確保安全，必須使其立即停止放電。 過電流保護(hù) IC 原理為，當(dāng)放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時，保護(hù) IC 將啟動過（短路）電流保護(hù)，此時過電流的檢測是將功率 MOSFET 的 Rds(on) 當(dāng)成感