鋰離子電池介紹講課稿

1、鋰離子電池(dinch)介紹研發(fā)部第一頁，共21頁。簡介(jin ji)n鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。n鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓，不需充電。 也可以充電，但循環(huán)性能差。n鋰離子電池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(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成(shn chn)，生成(shn chn)的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。在Li-ion Batteries的充放電過程中，鋰離子處于從正極負(fù)極正極的運動狀態(tài)。Li-ion Batteries就像一把

2、搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在來回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫搖椅式電池。 第二頁，共21頁。鋰離子電池鋰離子電池(dinch)組成部分組成部分 n正極活性物質(zhì)一般為鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰材料和磷酸鐵鋰材料，導(dǎo)電集流體使用厚度1020微米的電解鋁箔。n隔膜一種特殊的復(fù)合膜，可以讓離子通過，但卻是電子的絕緣體。n負(fù)極活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導(dǎo)電集流體使用厚度715微米的電解銅箔。n有機電解液溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液。n電池外殼分為(fn wi)鋼殼（現(xiàn)在方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包

3、裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負(fù)極引出端。 第三頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)反應(yīng)機理n正極反應(yīng)(fnyng)：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。 充電時：LiFePO4 Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- 放電時：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- LiFePO4 n負(fù)極反應(yīng)(fnyng)：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。 充電時：xLi+ + xe- + 6C LixC6 放電時：LixC6 xLi+ + xe- + 6C 第四頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)優(yōu)點n電壓高，單體電池的工作電壓高達(dá)3.73.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V），是Ni

4、-Cd、Ni-H電池的3倍。n比能量大，材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量，比能量34倍于Ni-Cd，23倍于Ni-MH。 n循環(huán)壽命長，一般均可達(dá)到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達(dá)到2000次以上。 n安全性能好，無公害，無記憶效應(yīng)。 n自放電小，室溫下充滿電的Li-ion Batteries儲存1個月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd和Ni-MH電池。n可快速充放電，1C充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上，現(xiàn)在(xinzi)磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到標(biāo)稱容量的90%。n工作溫度范圍高，工作溫度為-2545C，隨著電解液和正極的改進，期望能擴寬到-

5、4070C。 第五頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)缺點合格率：不合格率高，大約有1的電池因種種原因不合格。 不耐受過充：過充電時，過量嵌入的鋰離子會永久固定于晶格中，無法再釋放，可導(dǎo)致電池壽命縮短。 不耐受過放：過放電時，電極脫嵌過多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，從而縮短壽命。成本高：如橄欖石型的磷酸鐵鋰材料，具有安全性高（不存在爆炸的理論危險），使用壽命長、可以大電流充放電等優(yōu)異性能。但是生產(chǎn)成本高、材料堆積密度小，不利于生產(chǎn)控制。另外鋰離子電池需要多重保護機制(jzh)：由于錯誤使用會減少壽命，甚至可能導(dǎo)致爆炸，所以，鋰離子電池設(shè)計時增加了多種保護機制(jzh)。 如保護電路：防止過充、過

6、放、過載、過熱。 第六頁，共21頁。 另外，國外有報道LiVO2亦能形成層狀化合物，可作為(zuwi)正極電極材料。 n種類n 目前鋰離子正極材料很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。右表為不同(b tn)的正極材料對照：正極材料平均電壓能量密度LiCoO2 3.7V140mAh/gLiMn2O4 4.0V100mAh/gLiFePO4 3.3V170mAh/gLiNiO23.6V190 mAh/g鋰離子電池(dinch)正極材料第七頁，共21頁。 從目前國內(nèi)外對正極材料的研究可看出，其電容量以每年3050mAh/g的速度在增長，發(fā)展趨向于微結(jié)構(gòu)(jigu)尺度越來越小，而電容量越來越大的嵌鋰化

7、合物，原材料尺度向納米級挺進，關(guān)于嵌鋰化合物結(jié)構(gòu)(jigu)的理論研究已取得一定進展，但其發(fā)展理論還在不斷變化中。困擾這一領(lǐng)域的鋰電池電容量提高和循環(huán)容量衰減的問題，已有研究者提出添加其它組分來克服的方法。鋰離子電池正極(zhngj)材料第八頁，共21頁。鋰離子電池負(fù)極(fj)材料 (1) 碳材料：石墨化碳材料、無定型碳材料。如石墨、軟碳、中間相碳微球已在國內(nèi)有開發(fā)和研究，硬碳、碳納米管、巴基球C60等多種碳材料正在被研究中。 (2) 其它(qt)材料：氮化物、硅基材料、錫基材料、新型合金、納米氧化物等。負(fù)極材料比容量（mAh/g）電位/V（Vs.Li/Li+）密度（g/cm3）循環(huán)性能安全性

8、能成本MCMB（中間相碳微球）3203600.20.082.20較好差高NGR（天然石墨）3403800.20.082.25較好差低HC（硬碳）2504501.501.8-2.1良較好較低修飾人造石墨3203400.20.082.20好較好高Li4Ti5O121501751.553.47非常好好較高第九頁，共21頁。n存在問題n (1)電壓滯后，即鋰的嵌入反應(yīng)在00.25V之間進行（相對于LiLi）而脫嵌反應(yīng)則在1V左右發(fā)生；n (2)理論上還需進一步深化。這有賴于各種高純度、結(jié)構(gòu)規(guī)整的原料及碳材料的制備和更為有效(yuxio)的結(jié)構(gòu)表征方法的建立。 n發(fā)展方向 n (1)更小的納米尺度的嵌鋰

9、微結(jié)構(gòu) 。n (2)制備高純度和規(guī)整的微結(jié)構(gòu)碳負(fù)極材料。鋰離子電池(dinch)負(fù)極材料第十頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)電解質(zhì)n目前使用和研究的電解質(zhì)包括液體(yt)電解質(zhì)、全固態(tài)電解質(zhì)和凝膠型聚合物電解質(zhì)。n溶質(zhì)：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸 、鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。n n溶劑：由于電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、 丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機溶劑易帶來易燃、易爆等安全性問題。 第十一頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)用隔膜n隔膜是液態(tài)鋰離子二次電池的重要組成部分，在電池中起著防止

10、正/負(fù)極短路，同時在充放電過程中提供離子運輸電通道的作用，其性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。鋰離子電池隔膜的材料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）單層微孔膜，以及由PP和PE復(fù)合的多層微孔膜。 n目前，多層隔膜的研究受到廣泛關(guān)注，多層隔膜結(jié)合了PE和PP的優(yōu)點。如PPPEPP 3層隔膜，具有更好的力學(xué)性能，PE夾在2層PP之間可以(ky)起到熔斷保險絲的作用，為電池提供了更好的安全保護。n目前，世界上只有日本、美國等少數(shù)幾個國家擁有鋰離子電池聚合物隔膜的生產(chǎn)技術(shù)和相應(yīng)的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)。 第十二頁，

11、共21頁。鋰離子電池(dinch)安全 在鋰離子電池安全性方面的考慮主要從電池材料的選擇、電池電化學(xué)設(shè)計、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、添加劑的應(yīng)用、充電制度等方面來進行。1）隔膜的自動關(guān)斷保護 國際先進的Celgard2300PE-PP-PE三層復(fù)合膜。在電池升溫達(dá)到120的情況下，復(fù)合膜兩側(cè)的PE膜孔閉合，電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部升溫減緩，電池升溫達(dá)到135時，PP膜孔閉合，電池內(nèi)部斷路，電池不再升溫，確保電池安全可靠。2）電解液方面的安全保護措施 有機電解液體系安全方面的研究主要包括防止過充電、阻燃性電解液、電氧化聚合物保護等。3）電池蓋復(fù)合結(jié)構(gòu)和安全閥 電池蓋采用刻痕防爆結(jié)構(gòu)或設(shè)安全閥，電池升溫時，電池

12、內(nèi)部活化過程中所產(chǎn)生的部分氣體膨脹，電池內(nèi)壓加大，壓力達(dá)到一定程度刻痕破裂、放氣?；蛟陔姵氐纳仙w上設(shè)計安全閥，當(dāng)電池內(nèi)部的壓力達(dá)到一定值時，安全閥開啟，放氣。4）外接保護電路 鋰離子電池在使用時常外接保護電路,一方面防止過充、過放以避免循環(huán)壽命的縮短,另一方面也起到防止電池濫用、誤用的作用。好的鋰離子電池保護電路都具有溫度保護和電流(dinli)保護，當(dāng)充放電電流(dinli)、電池溫度大于相應(yīng)設(shè)定的保護值時,保護電路都將終止電池工作。5）各種環(huán)境濫用試驗等 對電池進行各項濫用試驗，如外部短路、過充、針刺、平板沖擊、焚燒等，考察電池的安全性能。同時對電池進行溫度沖擊試驗和振動、跌落、沖擊等力學(xué)

13、性能試驗，考察電池在實際使用環(huán)境下的性能情況。 第十三頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)電性能序號項目性能占額定容量的百分比%1容量 Ah31.52重量比能量Wh/Kg 76.503體積比能量Wh/L 140.874倍率6.67C放電性能 29.5698.5%5高溫55度充放電性能 31.17103.9%6低溫-20度放電性能 19.0263.4%7低溫-20度充放電性能 26.0186.7%8倍率6.67C充電容量 26.2687.5%第十四頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)工況循環(huán)在30%SOC-76%SOC區(qū)間內(nèi)循環(huán)，電池(dinch)充電最高電壓為3.73V，電池(dinch)最低放電電壓為3.02V。滿足整車的工況要求.第十五頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)安全性能性能試驗內(nèi)容:跌落過放電加熱短路針刺擠壓過充電 通過單體電池的安全性能(xngnng)試驗，單體30Ah磷酸鐵鋰電池在做安全試驗過程中沒有發(fā)生爆炸和著火現(xiàn)象。第十六頁，共21頁。鋰離子電池安全(nqun)性能性能過放電(fng din)性能:第十七頁，共21頁。鋰離子電池安全(nqun)性能性能加熱(ji r)試驗短路(dunl)試驗針刺試驗擠壓試驗第十八頁，共21頁。鋰離子電池(dinch)安全性能性能過充電(chng din)試驗過充電(chng din)試驗第十九頁，共21頁。動