鋰離子電池培訓

1、中天科技專注精細制造智能電網(wǎng)智能電網(wǎng)通信通信UPSUPS電動汽車電動汽車光伏風電光伏風電鐵路礦用鐵路礦用中天鋰電中天鋰電鋰離子電池 王杰王杰中天科技專注精細制造Page 2電池太陽能電池雙層電氣電容熱電池物理電池生物電池酶解電池微生物電池化學電池一次電池二次電池燃料電池鎳鉻電池鎳氫電池鋰離子電池鉛酸電池中天科技專注精細制造Page 3鋰一次電池鋰一次電池(又稱鋰原電又稱鋰原電池池, Primary LB)鋰電池鋰電池(Lithium Battery, 簡寫成簡寫成LB)鋰二次電池鋰二次電池(又稱鋰可充又稱鋰可充電電池，電電池，Rechargeable LB)中天科技專注精細制造Page 4鋰一

2、次電池發(fā)展史鋰一次電池發(fā)展史當前70年代60年代的能源危機20世紀50年代多種材料應用于鋰一次電池鋰一次電池商品化鋰一次電池商品化鋰一次電池大發(fā)展鋰一次電池大發(fā)展開始鋰一次電池的研究開始鋰一次電池的研究手表、計算器、植入式醫(yī)療設備Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、Li-SO2、Li-Ag2CrO4等中天科技專注精細制造Page 5 在商業(yè)化鋰一次電池的同時，人們發(fā)現(xiàn)許多層狀無機硫族化合物可以同堿金屬發(fā)生可逆反應，這樣的化合物統(tǒng)稱為嵌入化合物。在嵌入化合物基礎上，鋰二次電池誕生了，其中最具有代表性的是1970年埃克森公司的M.S.Whittingham利用Li-TiS體系，制成首個

3、鋰電池。但由于其枝晶所產(chǎn)生嚴重的安全隱患而未能成功實現(xiàn)商品化。循環(huán)循環(huán)100100次形成的鋰枝晶圖次形成的鋰枝晶圖鋰二次電池的產(chǎn)生鋰二次電池的產(chǎn)生中天科技專注精細制造Page 6鋰離子電池的產(chǎn)生鋰離子電池鋰離子電池比能量比能量電壓電壓負極層狀結構的石墨層狀結構的石墨120-150Wh/kg是普通鎳鎘電池是普通鎳鎘電池的的2-3倍倍高達高達3.6V正極正極20世紀世紀80年代末，日本年代末，日本Sony公司公司提出者中天科技專注精細制造Page 7鋰離子電池區(qū)別于鋰電池 早期的鋰電池鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹之前，先介紹鋰電池。舉例來講，以前照相機

4、里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。這種電池也可以充電,但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中,容易形成鋰結晶，造成電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。 中天科技專注精細制造Page 8鋰離子電池：炭材料鋰電池后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子

5、越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。 目前所說的鋰離子電池通常為鋰二次電池。中天科技專注精細制造Page 9搖椅式電池1 Michel Armand, Philippe Touzain. Graphite intercalation compounds as cathode materials. Materials Science and Engineering. Volume 31,1977,319-3292 Armand M BPhD thesis ， Grenoble，19783

6、 Armand M BMaterials for Advanced Battery New York： Plenum，1980145 20世紀80年代初，M.B.Armond首次提出用嵌鋰化合物代替二次鋰電池中金屬鋰負極的構想。在新的系統(tǒng)中，正極和負極材料均采用鋰離子嵌入/脫嵌材料。 當對電池進行充電時，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。負極的炭材料呈層狀結構，它有很多微孔，到達負極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所

7、說的電池容量指的就是放電容量。中天科技專注精細制造Page 10 在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極負極正極的運動狀態(tài)。這就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來回運動。人們把這種電化學儲能體系形象地稱為“搖椅式電池” （Rocking-chair Cell）。中天科技專注精細制造Page 11鋰離子電池鋰離子電池優(yōu)點優(yōu)點無環(huán)境污染，綠色電池輸出電壓高輸出電壓高能量密度高能量密度高安全，循環(huán)性好安全，循環(huán)性好自放電率小自放電率小快速充放電快速充放電充電效率高充電效率高中天科技專注精細制造Page 12鋰離子電池工作原理中天科技專注精細制造Page 13電池內(nèi)阻 電

8、池內(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。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻值大，會導致電池放電工作電壓降低，放電時間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結構等因素的影響。電池內(nèi)阻是衡量電池性能的一個重要參數(shù)。鋰離子電池性能參數(shù)指標鋰離子電池性能參數(shù)指標電池的容量電池的容量 電池的容量有額定容量和實際容量電池的容量有額定容量和實際容量之分。鋰離子電池規(guī)定在常溫、恒流之分。鋰離子電池規(guī)定在常溫、恒流(1C)(1C)、恒壓、恒壓(4.2V)(4.2V)控制的充電條件下，控制的充電條件下，充電充電3h3h、再以、再以0.2C0.2C放電至放電至2.75V2.75V時，所時

9、，所放出的電量為其額定容量。放出的電量為其額定容量。 電池的實電池的實際容量是指電池在一定的放電條件下所際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實際電量，主要受放電倍率和溫放出的實際電量，主要受放電倍率和溫度的影響（故嚴格來講，電池容量應指度的影響（故嚴格來講，電池容量應指明充放電條件）。明充放電條件）。 容量單位：容量單位：mAhmAh、Ah(1Ah=1000)Ah(1Ah=1000)。中天科技專注精細制造Page 14 u開路電壓和工作電壓開路電壓和工作電壓 開路電壓開路電壓是指電池在是指電池在非工作狀態(tài)下即電路中無電非工作狀態(tài)下即電路中無電流流過時，電池正負極之間流流過時，電池正負極之間

10、的電勢差。一般情況下，鋰的電勢差。一般情況下，鋰離子電池充滿電后開路電壓離子電池充滿電后開路電壓為為4.14.14.2V4.2V左右，放電后開左右，放電后開路電壓為路電壓為3.0V3.0V左右。通過對左右。通過對電池的開路電壓的檢測，可電池的開路電壓的檢測，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。以判斷電池的荷電狀態(tài)。u 工作電壓又稱端電壓，是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流流過時電池正負極之間的電勢差。在電池放電工作狀態(tài)下，當電流流過電池內(nèi)部時，不需克服電池的內(nèi)阻所造成阻力，故工作電壓總是低于開路電壓，充電時則與之相反。鋰離子電池的放電工作電壓在3.6V左右。中天科技專注精細制造Page 15u放電平臺時間

11、 放電平臺時間是指在電池滿電情況下放電至某電壓的放電時間。例對某三元電池測量其3.6V的放電平臺時間，以恒壓充到電壓為4.2V，并且充電電流小于0.02C時停止充電即充滿電后，然后擱置10分鐘，在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時的放電時間即為該電流下的放電平臺時間。 因某些使用鋰離子電池的用電器的工作電壓都有電壓要求，如果低于要求值，則會出現(xiàn)無法工作的情況。所以放電平臺是衡量電池性能好壞的重要標準之一。中天科技專注精細制造Page 16u充放電倍率 充放電倍率是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，1C在數(shù)值上等于電池額定容量，通常以字母C表示。如電池的標稱額定容量為10Ah

12、，則10A為1C（1倍率），5A則為0.5C，100A為10C，以此類推。u自放電率 自放電率又稱荷電保持能力，是指電池在開路狀態(tài)下，電池所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、儲存條件等因素的影響。是衡量電池性能的重要參數(shù)。中天科技專注精細制造Page 17u充電效率和放電效率 充電效率是指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲存的化學能程度的量度。主要受電池工藝，配方及電池的工作環(huán)境溫度影響，一般環(huán)境溫度越高，則充電效率要低。 放電效率是指在一定的放電條件下放電至終點電壓所放出的實際電量與電池的額定容量之比，主要受放電倍率，環(huán)境溫度，內(nèi)阻等因素影響，一般情況下

13、，放電倍率越高，則放電效率越低。溫度越低，放電效率越低。u循環(huán)壽命循環(huán)壽命 電池循環(huán)壽命是指電池容量下降電池循環(huán)壽命是指電池容量下降到某一規(guī)定的值時，電池在某一充放電到某一規(guī)定的值時，電池在某一充放電制度下所經(jīng)歷的充放電次數(shù)。鋰離子電制度下所經(jīng)歷的充放電次數(shù)。鋰離子電池池GBGB規(guī)定，規(guī)定，1C1C條件下電池循環(huán)條件下電池循環(huán)500500次后容次后容量保持率在量保持率在60%60%以上。以上。 中天科技專注精細制造Page 18鋰離子電池類型1圓柱型鋰圓柱型鋰離子電池離子電池(Cylindrical Li-ion Battery)3紐扣鋰離紐扣鋰離子電池子電池(Coin Li-ion Batt

14、ery)4薄膜鋰離薄膜鋰離子電池子電池(Thin Film Li-ion Battery) 2方型鋰離方型鋰離 子電池子電池(Prismatic Li-ion Battery)5軟包型鋰軟包型鋰離子電池離子電池(Pouch Li-ion Battery)中天科技專注精細制造Page 19圓柱型的外觀與內(nèi)部結構如圖所示，通常正負極與隔膜被繞卷到負極柱上，再裝入圓柱型鋼殼，然后注入電解液，封口，最后產(chǎn)品得以成型。下圖中還包括正溫度系數(shù)端子（PTC）和安全閥（Safety Vent）等安全部件。圓柱型鋰離子電池圓柱型鋰離子電池(Cylindrical Li-ion Battery)中天科技專注精細制

15、造Page 20方型鋰離子電池外觀與內(nèi)部結構如圖所示，其主要部件與圓柱型鋰離子電池方型鋰離子電池外觀與內(nèi)部結構如圖所示，其主要部件與圓柱型鋰離子電池類似，主要也是由正負極和電解質(zhì)，以及外殼等部件組成。通常電解質(zhì)為液類似，主要也是由正負極和電解質(zhì)，以及外殼等部件組成。通常電解質(zhì)為液態(tài)時，使用鋼殼；若使用聚合物電解質(zhì)，則可以使用鋁塑包裝材料。態(tài)時，使用鋼殼；若使用聚合物電解質(zhì)，則可以使用鋁塑包裝材料。方型鋰離子電池（方型鋰離子電池（Prismatic Li-ion Battery）中天科技專注精細制造Page 21軟包鋰離子電池外觀與內(nèi)部結構如圖所示，其主要部件與方型鋰離子電池類軟包鋰離子電池外觀

16、與內(nèi)部結構如圖所示，其主要部件與方型鋰離子電池類似，主要也是由正負極和電解質(zhì)，以及外殼等部件組成。通常使用鋁塑包裝似，主要也是由正負極和電解質(zhì)，以及外殼等部件組成。通常使用鋁塑包裝材料。材料。軟包鋰離子電池（軟包鋰離子電池（Pouch Li-ion Battery）中天科技專注精細制造Page 22除圓柱型鋰離子電池和方型鋰離子電池外，還有紐扣鋰離子電池（紐扣鋰離子電池（CoinCoinLi-ion BatteryLi-ion Battery），），這種電池結構簡單，通常用于科研測試。紐扣鋰離子電池（Coin Li-ion Battery）中天科技專注精細制造Page 23薄膜鋰離子電池薄膜鋰

17、離子電池是鋰離子電池發(fā)展的最新領域, 其厚度可達毫米甚至微米級，常用于銀行防盜跟蹤系統(tǒng)、電子防盜保護、微型氣體傳感器、微型庫侖計等微型電子設備薄膜鋰離子電池（薄膜鋰離子電池（Thin Film Li-ion Battery ）中天科技專注精細制造Page 24具有代表性的圓柱形鋰離子電池構造圖具有代表性的圓柱形鋰離子電池構造圖中天科技專注精細制造Page 25鋰離子電池正極材料p 正極材料是制造鋰離子電池的關鍵材料之一，正極材料是制造鋰離子電池的關鍵材料之一，它的性能和價格直接影響到鋰離子電池的性能和它的性能和價格直接影響到鋰離子電池的性能和價格。價格。 p 研究和開發(fā)高性能的正極材料已成為鋰

18、離子電研究和開發(fā)高性能的正極材料已成為鋰離子電池發(fā)展的關鍵！池發(fā)展的關鍵！中天科技專注精細制造Page 26能量越高，電動車能量越高，電動車續(xù)航里程越遠續(xù)航里程越遠功率越高，電動車功率越高，電動車加速、爬坡性能越加速、爬坡性能越好好電動車的安全性的電動車的安全性的決定因素決定因素循環(huán)性越好，電動循環(huán)性越好，電動車壽命越長車壽命越長比能量高比功率大比功率大自放電少價格低廉使用壽命長使用壽命長安全性好鋰離子電池正極材料的要求中天科技專注精細制造Page 27正極材料理論電容量計算 1mol正極材料Li離子完全脫嵌時轉(zhuǎn)移的電量為96500C（96500 C/mol是法拉第常數(shù)）由單位知mAh/g指每

19、克電極材料理論上放出的電量：1mAh1（103）安培360秒3.6C 以磷酸鋰鐵電池LiFePO4為例：LiFePO4的分子量是157.756 g/mol, 所以他的理論電容量是96500/157.756/3.6=170 mA h/g中天科技專注精細制造Page 28磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰錳酸鋰錳酸鋰鈷酸鋰鈷酸鋰鎳酸鋰鎳酸鋰鎳鈷錳三元材料鎳鈷錳三元材料材料主成分材料主成分LiFePO4LiMn2O4LiMnO2LiCoO2LiNiO2LiNiCoMnO2理論能量密理論能量密度（度（mAh/g）170148286274274278實際能量密實際能量密度（度（mAh/g）130-140100-12020

20、0135-140190-210155-165電壓（電壓（V）3.2-3.73.8-3.93.4-4.33.62.5-4.13.0-4.5循環(huán)性（次）循環(huán)性（次）40002000差差800差差2000過渡金屬過渡金屬非常豐富非常豐富豐富豐富豐富豐富貧乏貧乏豐富豐富貧乏貧乏環(huán)保性環(huán)保性無毒無毒無毒無毒無毒無毒鈷有放射性鈷有放射性鎳有毒鎳有毒鈷、鎳有毒鈷、鎳有毒安全性能安全性能很好很好良好良好良好良好差差差差尚好尚好適用溫度適用溫度()-2075 50快快速衰減速衰減高溫不高溫不穩(wěn)定穩(wěn)定-20 55N/A-20 55常見正極材料及其性能比較常見正極材料及其性能比較中天科技專注精細制造Page 29L

21、iCoO2LiMn2O4安全性差，價格昂貴合成比較困難衰減比較嚴重LiNiO2中天科技專注精細制造Page 30碳材料非碳材料石墨非石墨天然石墨人工石墨軟碳硬碳金屬氧化物金屬間化合物其他過渡金屬氧化物錫基氧化物金屬氮化物等錫基、銻基等 鋰離子電池負極材料鈦酸鋰等中天科技專注精細制造Page 31負極材料分類比較人造石墨人造石墨硅碳合金硅碳合金中天科技專注精細制造Page 32碳材料存安全隱患，鈦酸鋰成負極發(fā)展新方向！容量高，充放電體積變化小，能夠提高電池的循環(huán)性能和使用壽命。可以快速、多循環(huán)充放電?？赡茉谔茧姌O表面析出金屬鋰，與電解液反應產(chǎn)生可燃氣體混合物，存在安全隱患碳材料碳材料鈦酸鋰鈦酸鋰

22、南方化學鈦酸鋰的SEM圖和倍率充放電曲線圖 中天科技專注精細制造Page 33鋰離子電池電解液電解液是鋰離子電池的四大主要組成部分之一，是實現(xiàn)鋰離子在正負極遷移的媒介，對鋰電容量、工作溫度、循環(huán)效率以及安全性都有重要影響。通常電解液占電池重量和體積的比重分別為15、32，其對純度及雜質(zhì)的含量要求非常高，生產(chǎn)過程中需要高純的原料以及必要的提純工藝。電解液的生產(chǎn)工藝流程圖中天科技專注精細制造Page 34u鋰離子電池對溶劑的要求有安全性、氧化穩(wěn)定性、與負極的相容性、導電性等，總體要求溶劑具有較高的介電常數(shù)、較低的粘度等特征。u溶劑由主溶劑和添加劑組成常用溶劑性能表中天科技專注精細制造Page 35

23、中天科技專注精細制造Page 36鋰離子電池電解質(zhì)材料u1.液態(tài)電解質(zhì)，又稱電解液，一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽（主要是LiPF6）、主要的添加劑等原料，在一定條件下，按一定比例配制而成的。u2.固態(tài)電解質(zhì)，電解質(zhì)為固體聚合物，以固體聚合物為電解質(zhì)的鋰離子電池稱為聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡稱為LIP)。中天科技專注精細制造Page 37對于液體電解質(zhì)材料而言,需要滿足以下條件:(l)在較寬的溫度范圍內(nèi)為液體并具有較高的鋰離子電導率， 達到或接近10-2S/cm，以滿足不同條件下的應用要求。(2)具有較好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,蒸汽壓低,不易蒸發(fā) 和分解，與電池體系的其他材料不發(fā)生反應。(3)具有較寬的電化學窗口,可以達到甚至超過4.5V(vs.Li/Li+)。(4)毒性低,使用安全。(5)制備及純化容易,制備成本低等。中天科技專注精細制造Page 38中天科技專注精細制造Page 39隔膜的主要作用：u隔離正、負極，并使電池內(nèi)部的電子不能自由穿過u能夠讓電解質(zhì)液中的離子在正負極間自由通過。鋰電池中的關鍵內(nèi)層組件 隔膜中天科技專注精細制造Page 40中天科技專注精細制造Page 41鋰電