鋰離子電池基本知識與制造工藝----培訓(xùn)材料

1、鋰離子電池基本知識與制鋰離子電池基本知識與制造工藝造工藝于洋于洋07/21/201407/21/2014OUTLINE電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰動力電池結(jié)構(gòu) 動力電池存貯、裝卸 電池包的安全操作電池原理與化學(xué)電池發(fā)展電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 化學(xué)電池基本構(gòu)成：正極、負極、電解液隔離膜、導(dǎo)線、外包裝物電極反應(yīng)： 放電： 陽極：Cu2+ +2e-=Cu 陰極：Zn-2e-=Zn2+電池的能量：電池能量=電勢差*電量電勢差正負極材的電位決定電量通過線路中的電子總量伏打電池丹尼爾電池電池原理與化學(xué)電池發(fā)展電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 電池分類：一次電池（原電池），如鋅錳干電池、堿性

2、電池、銀電池二次電池（蓄電池），如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池燃料電池，氫、甲烷、甲醇燃料電池太陽能電池 常見二次電池的基本參數(shù)：電池原理與化學(xué)電池發(fā)展電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 1991, Sony:C6 / Li-salt in PC-EC / Li1-xCoO2 In 1995, Bellcore: Polymer new process P1 鋰二次電池研發(fā)分為金屬鋰二次電池、鋰離子電池與鋰聚合物電池三個階段。 1999年，鋰離子聚合物電池正式投入商業(yè)化生產(chǎn)，松下公司為首的8家公司均有產(chǎn)品推出，因此，1999年被日本人稱為鋰聚合物電池的元年。它以碳為負極，以含鋰的化合物作正極；在充放電過程中

3、，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池名稱的由來。 電池發(fā)展：OUTLINE電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰動力電池結(jié)構(gòu) 動力電池存貯、裝卸 電池包的安全操作鋰離子電池性能與安全工業(yè)社會的發(fā)展對便攜電子設(shè)備的依賴越來越高，作為設(shè)備能源提供的電池必須俱備更高的能量密度、更長的循環(huán)壽命及安全性。1992年商品化的鋰離子電池提供可能性主要用途主要用途電子儀表航空動力消費用品電動車輛動力鋰電池性能與安全 傳統(tǒng)而又新興的電動車行業(yè)對于中國汽車工業(yè)，新能源汽車是實現(xiàn)跨越式發(fā)展的難得機遇鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池的優(yōu)勢 鋰離子電池（Li-on Battery）是目前最佳能

4、量存儲方案，同時兼?zhèn)涓吖β拭芏群透吣芰棵芏?，是?dāng)前電動汽車選用鋰離子電池的根本原因鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池結(jié)構(gòu)陰極 ：鋰離子鹽，由含鋰的過渡金屬氧化物組成，常用的 材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。陽極 ：石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中間相 碳微粒。鋰離子存貯倉庫隔離膜 ：一種特殊的復(fù)合膜，它的功能是隔離正負極，阻止 電子穿過，同時能夠允許鋰離子通過，從而完成在 電化學(xué)充放電過程中鋰離子在正負極之間的快速傳 輸。目前主要是聚乙烯(PE)或者聚丙烯(PP)。隔離 陰陽極，防止短路，離子導(dǎo)通，電子隔絕電解液 ：一種有機電解液，大部分是由六氟磷酸鋰（LiFL6） 加上有機溶劑

5、配成。鋰離子通道。極柱 ：Ni(Cu)、Al，電子通道，接外電路包裝膜 ：不銹鋼殼，保持穩(wěn)定的電化學(xué)環(huán)境.外包裝絕緣膜工作原理：工作原理： 當(dāng)外部電源給電池充電當(dāng)外部電源給電池充電, ,此時正極上的電子此時正極上的電子e e從通過外從通過外部電路跑到負極上部電路跑到負極上, ,鋰離子鋰離子Li+Li+從正極從正極“跳進跳進”電解液里，電解液里，“爬過爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳游泳”到達負極，到達負極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。當(dāng)電池放電時，機理與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。當(dāng)電池放電時，機理與充電是剛好是相反的，以與充電是剛好是相反的，以LiFePOLiFeP

6、O4 4為例，其化學(xué)反應(yīng)為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：方程式為：鋰離子電池性能與安全鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)充電 ： 正極 - Li1MO2-Li1-xMO2 +x Li+ +xe- 負極 - C + x Li+ +x e- CLix放電： 正極- Li1-xMO2 +x Li+ +xe- - LiMO2 負極-CLix - C + xLi+ +e-鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池陰極材料：LxMyOzli.e LiCoO2 LiNi(1-x)CoxMn(1-x)/2O2 LiMnO4 LiFePO4LiCoO2LiFePO4鋰離子電池性能與

7、安全電解液電解液材料組成材料組成使用碳酸酯作為溶劑時，因為閃點較低，在較低的溫度下即會閃燃，安全性較差。氟代溶劑（包括氟代酯和氟代醚）具有較高的閃點甚至無閃點，有利于抑制電解液的燃燒。氟代劑對電池性能損害較小，抑制電解液燃燒效果明顯，但氟化物的使用將大大增加鋰離子電池的生產(chǎn)成本。目前商用鋰離子電池以EC、DMC為溶劑，以LiPF6為鋰鹽，具有較高的離子導(dǎo)電率與較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池陰極材料性能比較 基于安全與成本因素，磷酸鐵鋰是目前技術(shù)水平條件下，最好選擇。鋰離子電池性能與安全 石墨陽極材料天然石墨負極材料電鏡照片F(xiàn)SNC-1石墨化后的電鏡照片鋰離子電池性能與安全

8、 石墨陽極材料容量 滿充電時：LiC66C+Li+e-6個C原子能放出1個電子6摩爾C原子(72克）能放出1摩爾電子1摩爾電子的電量=1.60217733*10-19*6.022*1023 =96485庫倫 =26.80安時理論石墨克容量=26.80/72=372毫安時實際石墨克容量=280370毫安時鋰離子電池性能與安全 理想正負極材料的特征具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu)，利于鋰離子電池的嵌入和脫出充放電過程中，盡可能容易的嵌入和脫出，具有高的化學(xué)容量鋰離子嵌脫時，有比較平穩(wěn)的充放電電壓鋰離子有較大的擴散系數(shù)，減少離子移動時的能耗，保證良好的充放電性能嵌入化合物應(yīng)當(dāng)便宜，污染小，質(zhì)量輕鋰離子電池性

9、能與安全 鋰離子電池設(shè)計安全性電池內(nèi)部幾乎為真空，在密閉環(huán)境下充放電隔膜具有高溫保護功能，當(dāng)溫度達到130度，離子無法通過， 切斷電路充電或放電電流過大時，電芯內(nèi)部的保護板會切斷電流安裝在PTC溫度控制端子或保險絲，可限制電流 過大時產(chǎn)生 的高溫鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池設(shè)計安全性 鋰離子電池是已成功的商業(yè)化且安的電池 每年超過20億的產(chǎn)量 過充、過放、低溫循環(huán)會導(dǎo)致?lián)p壞鋰離子電池性能與安全 過放電 電壓放到2.0V，陽極銅集電體 溶于電解液，在陰極析出，生成銅枝晶，刺破隔離膜，造成短路 加熱 加熱超過150溫，導(dǎo)致熱失控（化學(xué)能電化學(xué)能，陰極結(jié)構(gòu) 塌陷 低溫充電 溫度低于0度，對電池充

10、電，在陽極表面有鋰析出，過程為不可逆反應(yīng)，損害電池。 E=E0-RT/nFlg氧化態(tài)/還原態(tài)鋰電池鋰電池充電曲線（充電曲線（ CC-CVCC-CV模式模式）鋰離子電池性能與安全恒壓模式一般被稱為涓流充電，其電流一般很小（降到恒壓模式一般被稱為涓流充電，其電流一般很?。ń档?.1C0.1C以下）以下） ，一般用，一般用整個充電時間的整個充電時間的1/31/3充滿容量的充滿容量的1/101/10。鋰離子電池性能與安全鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰電池性能LFP電芯標(biāo)準(zhǔn)充電曲線：安全上限電壓3.8V LFP電芯標(biāo)準(zhǔn)放電曲線：安全下限電壓2.5VLFP電芯在不同溫度下的放電容量LEP電池系統(tǒng)對溫度敏感

11、66Ah電芯為例：充放電電芯表面溫升LFP 電池系統(tǒng)也要做好熱處理 正極正極材料材料磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡稱LFP）電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，其工作原理和鋰離子電池是一樣的。 LiFePO4正確的化學(xué)式為LiMPO4，（M 可以是任何金屬，如 Fe，Co，Mn，Ti等）。其物理結(jié)構(gòu)為橄欖石結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)來看，可以用在鋰離子電 池的正極材料還有AyMPO4, Li 1-xMFePO4, LiFePO4.MO等都 可以做正極材料。其特色是不含貴重元素，原料價格低且磷，鐵，鋰在地球上 的資源含量豐富，供料不會存在很大問題。除具有鋰電池的共性特點外，還有一

12、些特有的優(yōu)點，比如其 工作電壓適中（3.2V），容量大(170mAh/g)，高放電功率，可 快速充電且循環(huán)壽命長（高達2000次），在高溫與高熱環(huán)境 下的穩(wěn)定性高。 磷酸磷酸鐵鐵鋰鋰工作原理圖工作原理圖 宏觀圖宏觀圖微觀結(jié)構(gòu)圖微觀結(jié)構(gòu)圖LiFePOLiFePO4 4電池在充電時，正極中的鋰離子電池在充電時，正極中的鋰離子LiLi+ +通過通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子的鋰離子Li+Li+通過隔膜向正極遷移。通過隔膜向正極遷移。 磷酸鐵鋰與錳酸鋰的電性能比較磷酸鐵鋰與錳酸鋰的電性能比較 生產(chǎn)鋰離子動力電池必然要對正極材料進行選擇。

13、雖然從理論上講，可以提供選擇的正極材料品種繁多，但是目前真正可以應(yīng)用商業(yè)生產(chǎn)用途的鋰離子正極材料很少，歸納下來只有磷酸鐵鋰、錳酸鋰材料。下面我們對兩種材料進行一下對比：磷酸鐵鋰與錳酸鋰的電性能比較磷酸鐵鋰與錳酸鋰的電性能比較 通過以上比較，兩種正極材料各自存在的優(yōu)勢和劣勢，但磷通過以上比較，兩種正極材料各自存在的優(yōu)勢和劣勢，但磷酸鐵鋰的原物料來源更廣泛，價格更低廉，最重要的一點是它酸鐵鋰的原物料來源更廣泛，價格更低廉，最重要的一點是它無環(huán)境污染。并且它存在的一些缺點現(xiàn)在已經(jīng)有廠家通過技術(shù)無環(huán)境污染。并且它存在的一些缺點現(xiàn)在已經(jīng)有廠家通過技術(shù)手段已經(jīng)大部分改進了，并且已經(jīng)能夠很好地商業(yè)化運作了。

14、手段已經(jīng)大部分改進了，并且已經(jīng)能夠很好地商業(yè)化運作了。鋰電鋰電芯生產(chǎn)工藝芯生產(chǎn)工藝抽真空封裝后成為單體電池卷好的負正負極片電解液正極片隔膜負極片正極材料鋁箔負極材料銅箔涂覆涂覆卷繞放入電池外外殼里注入電池外外殼里攪拌攪拌分切分切灌注電解液灌注電解液焊接頂蓋焊接頂蓋卷繞卷繞涂布涂布分組分組靜置靜置封裝封裝靜置靜置化成化成容量測試容量測試OUTLINE電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰動力電池結(jié)構(gòu) 動力電池存貯、裝卸 電池包的安全操作 主要部件外箱 ：支架作用，箱體、上蓋、絕緣膜、極柱模組 ：工作單元，電芯、BUSBARBMS : 控制系統(tǒng)，BMU、電壓采集線、溫度采集線繼電器

15、 : 開關(guān)熔斷器 ：安全保護熱管理：全天候運行保證，加熱片、風(fēng)扇其他 ：正負極引線、支架磷酸鐵鋰動力電池結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰動力電池結(jié)構(gòu) 電芯與模組采集線電壓采集溫度采集 電池包M30前箱后箱 磷酸鐵鋰動力電池結(jié)構(gòu)OUTLINE電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰動力電池結(jié)構(gòu) 動力電池存貯、裝卸 電池包的安全操作 貯存動力電池存貯與裝卸 貯存溫度：025 ；濕度：75R.H（無水汽凝結(jié)）； 存儲室內(nèi)清潔、干燥、陰涼、通風(fēng) ，避免與腐蝕性物體或氣體接觸 標(biāo)識清晰，遠離火源及熱源 ， 要做好絕緣處理 電池箱體保護蓋板安裝緊固，無缺損、破壞等缺陷； 正、負極接線柱用絕緣膠帶或者其他絕緣材料絕緣，無金屬裸露； 短期儲存（3個月內(nèi)）SOC30，電芯電壓 2.5V； 長期貯存SOC50， 電芯電壓 3.0V ， 需定期進行充放電測試， 推薦一個月進行一次充放電，充放電電流0.2C，同時檢查BMS功能 搬運動力電池存貯與裝卸 輕拿輕放，正面朝上，不可倒放或斜放 用專門運載工具，嚴(yán)禁徒手搬移，拖動，破壞電池外觀（比如造成劃痕，凹點） 搬運前檢查絕緣性：總正總負對系統(tǒng)金屬外壁絕緣電阻 500Mohm 搬運前檢查繼電器是否斷開：前后箱接插件應(yīng)當(dāng)保護 裝卸動力電池