電池基礎(chǔ)知識

1、電池基礎(chǔ)知識主要內(nèi)容鋰電池的歷史鋰離子電池的原理鋰離子電池的組成部分介紹鋰離子電池的常規(guī)性能電芯不良項目及成因 電芯生產(chǎn)各工序控制要點(diǎn) 國內(nèi)主要電芯生產(chǎn)廠家鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)電池安全-電池為什么會爆炸？鋰離子電芯安全實驗鋰離子電池保護(hù)板原理概述電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計時注意事項售后電池常見電池故障分析鋰電池的歷史 19811981年發(fā)表了第一個鋰離子電池方面的專利。年發(fā)表了第一個鋰離子電池方面的專利。 八十年代末，八十年代末，SONYSONY公司利用此發(fā)現(xiàn)制成了公司利用此發(fā)現(xiàn)制成了LIBLIB。 實驗室制成的第一只實驗室制成的第一只1865018650型鋰離子電池容量僅為型鋰離子電池容量僅為600m

2、Ah600mAh。 19921992年，年，SONYSONY公司開始大規(guī)模生產(chǎn)民用鋰離子電池。公司開始大規(guī)模生產(chǎn)民用鋰離子電池。 19981998年方型鋰離子電池大量投放市場，占據(jù)了市場較年方型鋰離子電池大量投放市場，占據(jù)了市場較大份額。大份額。 19991999年國內(nèi)鋰離子電池開始大批量生產(chǎn)年國內(nèi)鋰離子電池開始大批量生產(chǎn) 20022002年國產(chǎn)鋰離子電池占據(jù)了國內(nèi)主導(dǎo)市場年國產(chǎn)鋰離子電池占據(jù)了國內(nèi)主導(dǎo)市場鋰離子電池原理 鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正極的二次電池。電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路徑不同，放電時，電子從負(fù)極經(jīng)過電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“

3、爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。 只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會放電。反應(yīng)原理正極采用鋰化合物L(fēng)ixCoO2,（還有LixNiO2,或LiMn2O4等目前沒有商品化）,負(fù)極采用鋰碳層間化合物L(fēng)ixC6。電解質(zhì)為溶解有LiPF6,LiAsF6等的有機(jī)溶液。在充放電過程中，Li在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，被形象地稱為“搖椅式電池”（Rocking Chair Batteries,縮寫為RCB） 0X0.5 X的增大會提高容量及放電電位，鋰離子電池的組成部分 電池的主要組成部分為：（如右圖）正極片、負(fù)極片、電解液、隔膜紙、蓋帽、外殼、絕緣

4、層。電池可分為卷繞式、切片式疊片式三種：鋰離子聚合物電池 鋰離子聚合物電池屬第二代可充鋰離子電池。 這類電池和正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子相同。電池的工作原理也與液態(tài)鋰離子相同 不同的是鋰離子聚合物電池的電解質(zhì)是將液態(tài)有機(jī)電解液吸附在一種聚合物基質(zhì)上，被稱作膠體電解質(zhì)。 研究者把聚合物電解質(zhì)應(yīng)用于鋰離子蓄電池 時，顯示出了一些優(yōu)越的性能： 1、抑制了枝晶的生長。 2、耐充放電過程體積的變化。 3、降低了與電極反應(yīng)的活性。一般認(rèn)為溶劑對于鋰甚至碳電極是不穩(wěn)定的，電極表面鈍化現(xiàn)象嚴(yán)重，聚合物電解質(zhì)，由于它固體狀態(tài)特性，降低了與電極反應(yīng)活性。 4、安全性提高，聚合物電解質(zhì)電池比液態(tài)電解質(zhì)電池耐沖擊，振動，

5、變形。 5、聚合物電解質(zhì)可以加工成多樣的形狀。鋰聚合物電池結(jié)構(gòu) 由于電池中不存在游離電解質(zhì)，電池結(jié)構(gòu)大大簡化軟包裝與“硬包裝”相比的好處Hard-packing (Al or Fe-can)Can-wall thickness: 200500umHigher cost (for can, cap & safety vent) Less electrolyte leakage possibility- if can-cap laser sealing quality is goodPossibility of explosion - if safety vent design is no

6、t appropriateSoft-packing (Laminated Al-foil)Foil thickness: 100150umLower cost, lighter weight & flexibilityMore liquid electrolyte leakage possibilityNo explosion possibility主要就是減少了成本和增加了安全性鋰離子電池的軟包裝材料 聚合物鋰離子蓄電池軟包裝材料是由鋁箔、多種塑料及多種粘合劑（包括粘結(jié)樹脂）所組成的復(fù)合軟包裝材料。它的設(shè)計、制造及應(yīng)用技術(shù)（簡稱軟包裝技術(shù)）是鋰離子蓄電池行業(yè)要解決的三大技術(shù)難題之一。

7、 具有流動性、滲透性、腐蝕性、溶解性的電解液是電池 軟包裝材料設(shè)計主要考慮的問題。設(shè)計要求 1、外保護(hù)層：主要是對中間層起良好的保護(hù)作用 非冷沖壓成型軟包裝材料:只要求外層耐高溫?zé)岱鉁囟?60+/-15度耐摩擦性。耐刺穿性和耐折性好，對中間鋁層起保護(hù)作用即可，通常 首選PET作為外層。 冷沖壓成型軟包裝材料：還要求全知的伸長率，較高的抗沖擊強(qiáng)度撕裂強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。NY是最適合冷沖壓成型的外層材料。 2、中間層鋁箔層 根據(jù)目前國際上軟質(zhì)鋁箔加工工藝和技術(shù)條件，我們認(rèn)為，26um以上的鋁箔無針孔，對氧氣或其它流體（固體不存在問題）可以起到絕對的阻隔作用，即透過率認(rèn)為是零。 冷沖壓要保證沖壓后的厚度

8、各點(diǎn)都大于26um,厚度大于30um的鋁箔對于提高阻隔性能沒有實際意義，且會增加質(zhì)量，厚度和成本內(nèi)層多功能層: 內(nèi)層多功能層是對鋰離子蓄電池中電解液的特殊性能而設(shè)計的特殊多功能層，這些功能主要有1、耐電解液浸泡及使用時電化學(xué)反應(yīng)過程中，內(nèi)層表現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性（如不被溶漲、溶解或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而遭到破壞）2、良好的耐穿刺性能3、內(nèi)膜具有耐高溫（175度）熱封不短路的性能4、內(nèi)層中間須能夠固定，能夠吸收制作過程中電芯內(nèi)的水分、空氣中的水分、內(nèi)層材料中含有的水分，以及反應(yīng)時產(chǎn)生的氫氟酸，使氫氟酸不能滲透到中間不復(fù)存在鋁箔上產(chǎn)生腐蝕5、在保證封口強(qiáng)度。耐穿刺性能及電絕緣性能的前提下，內(nèi)層越薄，對外界

9、和內(nèi)界的阻隔性越好，封口越寬越好。電池的組成部分-電極片 電極是電池中最重要的部分，電極的好壞直接影響電池的性能。它是由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架所組成。活性物質(zhì)是指正、負(fù)極中參加成流反應(yīng)的物質(zhì)，是化學(xué)電源產(chǎn)生電能的源泉，是決定化學(xué)電源基本特性的重要部分。對活性物質(zhì)的要求是：1）組成電池的電動勢高；2）電化學(xué)活性高，即自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)的能力強(qiáng)；3）重量比容量和體積比容量大；4）在電解液中的化學(xué)穩(wěn)定性高；5）具有高的電子導(dǎo)電性；6）資源豐富，價格便宜。 正極構(gòu)造LiCoO2(鈷酸鋰)+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔） 正極 鋰離子電池正極用材料 鋰離子電池的正極材料必須有能接納鋰離子的位

10、置和擴(kuò)散路徑。鋰離子蓄電池的容量最終是由正極材料決定的。 LiCoO2具有電壓高，放電平穩(wěn)，生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)而率先占領(lǐng)了市場。其理論容量為274mAh/g,實際容量為140mAh/g,因此，現(xiàn)在仍有一些研究工作者在從事努力提高氧化鈷鋰的容量及其循環(huán)性能的工作。 負(fù)極構(gòu)造石墨+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑(SBR)+ 集流體（銅箔） 負(fù)極 鋰離子電池用負(fù)極材料 鋰離子嵌入碳化合物組成通常用LixC(0 x 16um)(發(fā)生內(nèi)部短路的可能性增大) 2、可燃性很強(qiáng)的有機(jī)電解液被采用 - 更容易起火 - 更容易漏液 (會腐蝕電池板，使保護(hù)板失去保護(hù)作用) 3、電極和電解液間的距離較大且

11、不夠均勻 - 容易生成鋰枝晶，刺穿薄膜，構(gòu)成內(nèi)部短路。鋰離子電池存在的安全問題的原因 (來自MOTO的消息)高能量密度電池里可能存在的鋰金屬 (過放等非正常使用情況下出現(xiàn))電極材料的熱穩(wěn)定性較差可燃性較強(qiáng)的有機(jī)電解液不可逆的電解液分解 這將使電池不能保持一個固定的化學(xué)電位， V左右 ）鋰離子電池鋰離子電池 organic oxidized & electrolyte reduced productsDecomposition onset 4 to 5 V per cell不可逆的不可逆的!NiCd, NiMH H20 H2 + O2Cell Voltage limited to 1.5

12、 V可逆的可逆的!Li-plating Issue of Li-ion Battery液態(tài)鋰離子電池(鋰枝晶析出鋰枝晶析出)(可能會引起內(nèi)部短路可能會引起內(nèi)部短路) 聚合物電池 (界面較平界面較平)鋰枝晶的圖片Li-plating鋰離子電池的過充（Motorola）02468-50050100150200Cell Voltage% Nominal ChargeIIVIIIIIRegion I: overdischarge Benign failureRegion II: normal operationRegion III: cell degradationLi plating beginsE

13、lectrolyte decompositionExcessive delithiation of cathodeRegion IV: risk of thermal runawayComplete delithiation of cathodeImpedance/voltage/heating increases電芯設(shè)計上的過充電保護(hù) 1、電芯參數(shù)設(shè)計時： 電極涂料上各參數(shù)的 電芯尺寸 各種材料比例 2。具有高溫關(guān)斷作用的隔膜。02468101214020406080100120140050100150200250300Cell VoltageCharging CurrentCell Ski

14、n TemperatureCell Voltage (Volts) and 10 x Charging Current (A mps/10)Temperature, C% Nominal Capacity(Runaway)Shutdown高溫時內(nèi)阻增大高溫時內(nèi)阻增大電流減小，溫度降低電流減小，溫度降低電芯設(shè)計上的過充電保護(hù)anode/cathodeanode/cathodeoverchargePressure driven diskCell contactPressure build-up triggers CID.Gas generating additives often used. Li

15、2CO3 - CO2Electrode tab如何提高鋰離子電芯安全性原料評估微分熱量測定 (DSC) 和熱量重量分析 (TGA)電芯等級分析熱失控點(diǎn)的測定電池非正常使用情況模擬參考IEC, UL，JIS等標(biāo)準(zhǔn)Electrical, mechanical, thermal 等的濫用情況材料熱量測定50100 150 200 250 300 350 400Heat=827J/g Temp. (C)50100 150 200 250 300 350 400Heat=407J/g215C Heat Flow (W/g)Temp. (C) DSC data on samples obtained fr

16、om commercial Li-ion cell 100% charged, OCV = 4.15 V Minor heat generation from negative electrode above 100o C Major heat generation initiated 160o C (LiCoO2) Total heat generated: combination of cathode and anodepositiveelectrode(anode)Negativeelectrode(cathode)114C264C307C501001502002503003504000

17、12345TRA-OnsetN-ElectrodeReactionP-ElectrodeDecompositionHeat=931J/g366J/g275C224C368J/g Heat Flow (W/g)Temp. (C)NE/separator/PEcombined鋰離子電芯安全實驗 -日本最重視的四條安全實驗日本是世界上最早生產(chǎn)和應(yīng)用商業(yè)鋰離子電池的國家，對鋰離子電池的性能最為了解一、高溫箱實驗（heat test）試驗?zāi)康模?測量出電池的溫度失控點(diǎn)；150度內(nèi)不應(yīng)該有Thermal Runaway 試驗方法： 在20度時將電池充電至高溫箱的溫度以的速率升至150度。實驗時測量項目1、

18、電池的最高溫度？（電池不應(yīng)該有Thermal Runaway ，跟隨著高溫箱的溫度）2、是否膨脹？3、是否漏液？這是日本DECOMO（日本最大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商）首要看重的測試項目，對于電池安全性有重大意義。02004006008001000 1200 1400 1600 1800 200050100150200250300ThermalRunawaySafetyRiskSafeTemp. (C)Time (min)OCV= V Self-heatingonset123CThermalrunawayonset167C鋰離子電芯安全實驗 -日本最重視的四條安全實驗二、針刺實驗試驗?zāi)康模耗M電芯內(nèi)部短路。

19、 測試方法：充電到后 用一直徑的針刺穿電芯。 實驗時測量項目： 1、？（toshiba383562為117度） 2、是否膨脹？（ toshiba383562 不產(chǎn)生氣體） 3、是否漏液？（ toshiba383562 漏液） 據(jù)我們從市場上了解的情況，用戶手機(jī)爆炸也一般是在使用時，而不是充電時，這是由電池內(nèi)部短路造成的鋰離子電芯安全實驗 -日本最重視的四條安全實驗三、擠壓實驗（Crush Test） 試驗?zāi)康哪M電芯被重物壓時的安全情況試驗方法 Cell is crush by dia.10mm Rod. Pressure is 2.5 ton電池條件：在20度充電至實驗時測量項目：1、max

20、.temp?2、是否膨脹？3、是否漏液？由于現(xiàn)在電池應(yīng)市場提升容量的要求，隔膜越做越薄，有些差的隔膜是經(jīng)不起這項考驗的鋰離子電芯安全實驗 -日本最重視的四條安全實驗外部短路實驗（External Short Circuit Test）試驗?zāi)康模?模擬電池放在包里時，被手鏈，項鏈等短路時的情況。試驗方法：在55度時，把電池正負(fù)極短路。電池條件：在-5度時充電至（不同于通常0度45度的充電環(huán)境）實驗時測試項目：1、 2、最大電流是多少？ 3、是否漏液？鋰電池在零度以下進(jìn)行充電,可能會導(dǎo)致金屬鋰的析出和電鍍反應(yīng)，這樣充電后再短路實驗條件相對較殘酷。鋰離子電芯安全實驗 -過充電實驗 實驗?zāi)康模耗M充電

21、器，電池保護(hù)板均失效時的過充電情況， 隨著目前充電器電路的慢慢成熟，過充電的標(biāo)準(zhǔn)正在降低。0 01 12 23 34 45 50 02 24 46 68 81010121214141616Voltage / VQuality Li-polymer Battery Safety ZoneCurrent / AA Company LIB - FireA & B Company LIB - FireB Company LPB - FireC Company LPB - FireUL-1642 Old Std(12V)UL-1642 New Std(5V)鋰離子電芯安全實驗 -burner t

22、est鋰離子電芯安全實驗 -其它安全實驗Hotplate test此外，還有沖擊實驗，振動實驗等我司在做的實驗。鋰離子電池保護(hù)板原理概述1正常狀態(tài)正常狀態(tài) 在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對電路的性能影響很小。 此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為A級，通常小于7A。 2、過充電保護(hù)、過充電保護(hù) 電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過后繼續(xù)恒流充電，此時電池電壓仍會繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過時，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會導(dǎo)致

23、電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問題。 在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓達(dá)到（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時由于V2管自帶的體二極管VD的存在，電池可以通過該二極管對外部負(fù)載進(jìn)行放電。 在控制IC檢測到電池電壓超過至發(fā)出關(guān)斷V2信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由芯片決定，為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 3、過放電保護(hù)、過放電保護(hù) 電池在對外部負(fù)載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至?xí)r，其容量已被完全放光，

24、此時如果讓電池繼續(xù)對負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。 在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測到電池電壓低于（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時由于V1自帶的體二極管VD的存在，充電器可以通過該二極管對電池進(jìn)行充電。 由于在過放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時控制IC會進(jìn)入低功耗狀態(tài)，整個保護(hù)電路耗電會小于。 在控制IC檢測到電池電壓低于至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，設(shè)為100毫秒左

25、右，以避免因干擾而造成誤判斷。 4、過電流保護(hù)、過電流保護(hù) 由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能過大，否則會導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。保護(hù)MOSFET的Idsmax一般為6A左右，如果電流超過這個值，也會燒壞MOSFET。 電池在對負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的2個MOSFET時，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS為單個MOSFET導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進(jìn)行檢測，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓＃够芈冯娏髟龃?，?dāng)回路電流大到使（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO

26、”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海筕1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過電流保護(hù)作用。 在控制IC檢測到過電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間在有的芯片中是固定的，有的芯片可以縮短，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。 5、短路保護(hù)、短路保護(hù) 電池在對負(fù)載放電過程中，若回路電流大到使（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，控制IC則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時時間極短，通常小于7微秒。其工作原理與過電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保

27、護(hù)延時時間也不一樣。 6、鋰電池過充的第二級保護(hù) ：溫度保險絲或PTC 當(dāng)充電管理失效時，保護(hù)IC起作用，當(dāng)保護(hù)IC也失效時，PTC或溫度保險絲監(jiān)控到溫度的變化，在溫度失控時，及時關(guān)斷充電，避免爆炸事故的發(fā)生。（溫度保險絲是一次性的，PTC可自恢復(fù)，但是這時電池一般也已經(jīng)膨脹，無再利用價值，自恢復(fù)功能意義不是很大） 電流fuse不能感覺到溫度的變化， 不能起到第二級保護(hù)的作用?？靹幼?的FUSE還有可能在某些浪涌電流下 誤動作，使電池失去作用。 因為充電管理芯片和電池保護(hù)IC同時失效 的可能性很小很?。╬pm*ppm) 所以國內(nèi)包括moto在內(nèi)的廠家都開始在取消二極保護(hù)。單采用PTC或溫度保險

28、絲作保護(hù)，做過充實驗時沒有出現(xiàn)爆炸單采用fuse做保護(hù)，做過充實驗時出現(xiàn)爆炸典型的電池保護(hù)板的參數(shù)1. 6. over discharge protection delay time513msec8. over current protection delay time:820msec9. short protection delay time:550usec我司常用的保護(hù)IC：精工：S-8261-G2J S-8261- G2N S-8241-GAA S-8241- GAC理光：R5426-110FA等保護(hù)IC的其它功能0V電池禁充功能 （實際上是電芯電壓小于（MOSFET的啟動電壓），就不能

29、再充電了）電池過放電到過放電保護(hù)點(diǎn)以下，是有缺陷的電池，再用可能會引起危險有這種功能芯片的IC有精工S-8261-G2J等（芯片上的字是G2J） 現(xiàn)在大部分芯片支持0V電池充電短路保護(hù)自恢復(fù)功能，大部分芯片有短路保護(hù)自恢復(fù)功能；有的芯片沒有這項功能，就要再充一下電才能恢復(fù)使用。（現(xiàn)在這種芯片很少）電池PACK結(jié)構(gòu)設(shè)計時注意事項-SANYO終端應(yīng)該是不容易被項鏈，發(fā)卡等短路的方案應(yīng)該預(yù)留測試點(diǎn)，使電池做好后還能再檢測保護(hù)線路負(fù)極不能與電池側(cè)邊切邊接觸到（SANYO特殊要求）、電芯結(jié)構(gòu)應(yīng)堅密，以保證靜電和水不容易進(jìn)去三洋要求使用膠水粘接，如果超聲焊，三洋不承擔(dān)任何責(zé)任。如果使用超聲焊，要求檢查焊后的電芯的性能，以確保性能