《鋰離子動力電池基本知識》68022-PPT課件

1、鋰離子動力電池基本知識主講：時間：地點(diǎn)：1大綱電池分類電池術(shù)語與及使用基本常識磷酸鐵鋰動力電池之結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰動力電池之應(yīng)用領(lǐng)域磷酸鐵鋰動力電池之工藝流程磷酸鐵鋰動力電池之生產(chǎn)設(shè)備鋰離子電池之性能指標(biāo)2電池種類劃分一次電池小型二次電池：鎳鎘、鎳氫、鋰離子鉛酸電池動力電池燃料電池太陽能電池-地面光伏發(fā)電其他新型電池3電池術(shù)語與及使用基本常識4容量電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為電池的容量，以符號C表示。常用的單位為安培小時，簡稱安時（Ah）或毫安時（mAh）。電池的容量可以分為理論容量、額定容量、實(shí)際容量。理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常

2、用比容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，單位為Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。實(shí)際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等于放電電流與放電時間的乘積，單位為Ah，其值小于理論容量。額定容量也叫保證容量，是按國家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。5內(nèi)阻電流通過電池內(nèi)部時受到阻力，使電池的電壓降低，此阻力稱為電池的內(nèi)阻。電池的內(nèi)阻不是常數(shù)，在放電過程中隨時間不斷變化，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的組成、電解液濃度和溫度都在不斷地改變。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化與濃差極化。內(nèi)阻的存在，使電池放電時的端

3、電壓低于電池電動勢和開路電壓，充電時端電壓高于電動勢和開路電壓。歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關(guān)系，常隨電流密度的對數(shù)增大而線性增大。 6負(fù)載能力當(dāng)電池的正負(fù)極兩端連接在用電器上時，帶動用電器工作時的輸出功率，即為電池的負(fù)載能力。 7內(nèi)壓指電池的內(nèi)部氣壓，是密封電池在充放電過程中產(chǎn)生的氣體所致，主要受電池材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素影響。其產(chǎn)生原因主要是由于電池內(nèi)部水分及有機(jī)溶液分解產(chǎn)生的氣體于電池內(nèi)聚集所致 。8充電率(C-rate)C是Capacity的第一個字母，用來表示電池充放電時電流的大小數(shù)值。例如：充電電池的額定容量為1100mAh時，即表示以11

4、00mAh(1C)放電時間可持續(xù)1小時，如以200mA(0.2C)放電時間可持續(xù)5小時，充電也可按此對照計(jì)算。9終止電壓(Cut-off discharge voltage)指電池放電時，電壓下降到電池不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值。根據(jù)不同的電池類型及不同的放電條件，對電池的容量和壽命的要求也不同，因此規(guī)定的電池放電的終止電壓也不相同。10開路電壓(Open circuit voltage OCV)電池不放電時，電池兩極之間的電位差被稱為開路電壓。電池的開路電壓，會依電池正、負(fù)極與電解液的材料而異，如果電池正、負(fù)極的材料完全一樣，那么不管電池的體積有多大，幾何結(jié)構(gòu)如何變化，其開路電壓都一樣的

5、。11工作電壓工作電壓指電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓，又稱放電電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。電池在接通負(fù)載后，由于歐姆電阻和極化過電位的存在，電池的工作電壓低于開路電壓。12放電深度(Depth of discharge DOD)在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比，稱為放電深度。放電深度的高低和二次電池的充電壽命有很深的關(guān)系，當(dāng)二次電池的放電深度越深，其充電壽命就越短，因此在使用時應(yīng)盡量避免深度放電。13過放電(Over discharge)電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，還繼續(xù)放電時就可能會造成電池內(nèi)壓升高，正、負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性遭到

6、損壞，使電池的容量產(chǎn)生明顯減少。14過充電(Over charge)電池在充電時，在達(dá)到充滿狀態(tài)后，若還繼續(xù)充電，可能導(dǎo)致電池內(nèi)壓升高、電池變形、漏夜等情況發(fā)生，電池的性能也會顯著降低和損壞。15能量密度(Energy density)電池的平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。一般在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的2.5倍，是鎳氫電池的1.8倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小，重量更輕。16自我放電(Self discharge)電池不管在有無被使用的狀態(tài)下，由于各種原因，都會引起其電量損失的現(xiàn)象。電池完全充電后，放置一個月。然后用1C放電至3.

7、0V，其容量記為C2；電池初始容量記為C0；1-C2/C0即為該電池之月自放電率行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池月自放電率小于12%電池自放電與電池的放置性能有關(guān)，其大小和電池內(nèi)阻結(jié)構(gòu)和材料性能有關(guān)17放電平臺鋰離子電池完全充電后，放電至3.6V時的容量記為C1，放電至3.0V時的容量記為C0，C1/C0稱為該電池之放電平臺行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1C放電平臺為70%以上18放電倍率電池放電電流的大小常用放電倍率表示，即電池的放電倍率用放電時間表示或者說以一定的放電電流放完額定容量所需的小時數(shù)來表示，由此可見，放電倍率表示的放電時間越短，即放電倍率越高，則放電電流越大。（放電倍率=額定容量/放電電流）根據(jù)放電倍率的大小，可

8、分為低倍率（7.0C） 如：某電池的額定容量為20Ah，若用4A電流放電，則放完20Ah的額定容量需用5h，也就是說以5倍率放電，用符號C/5或0.2C表示，為低倍率。19充電循環(huán)壽命(Cycle life)電池在完全充電后完全放電，循環(huán)進(jìn)行，直到容量衰減為初始容量的75%，此時循環(huán)次數(shù)即為該電池之循環(huán)壽命循環(huán)壽命與電池充放電條件有關(guān)鋰離子電池室溫下1C充放電循環(huán)壽命可達(dá)300-500次（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），最高可達(dá)800-1000次。20記憶效應(yīng)(Memory effect)記憶效應(yīng)是針對鎳鎘電池而言的，由于傳統(tǒng)工藝中負(fù)極為燒結(jié)式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在它們被完全放電之前就重新充電，鎘晶粒容易聚

9、集成塊而使電池放電時形成次級放電平臺。電池會儲存這一放電平臺并在下次循環(huán)中將其作為放電的終點(diǎn)，盡管電池本身的容量可以使電池放電到更低的平臺上。在以后的放電過程中電池將只記得這一低容量。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應(yīng)，使電池的容量變得更低。 要消除這種效應(yīng)，有兩種方法，一是采用小電流深度放電（如用0.1C放至0V）一是采用大電流充放電（如1C）幾次。鎳氫電池和鋰離子電池均無記憶效應(yīng)21化成電池制造后，通過一定的充放電方式將其內(nèi)部正負(fù)極物質(zhì)激活，改善電池的充放電性能及自放電、儲存等綜合性能的過程稱為化成，電池只有經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)真實(shí)性能。 22分容電池在制造過程中，因工

10、藝原因使得電池的實(shí)際容量不可能完全一致，通過一定的充放電制度檢測，并將電池按容量分類的過程稱為分容 23電池充電方式介紹快速充電：充電電流大于0.2C，小于0.8C則是快速充電。 慢速充電：充電電流在0.1C-0.2C之間時，我們稱為慢速充電。涓流充電：充電電流小于0.1C時，我們稱為涓流充電。超高速充電：充電電流大于0.8C時，我們稱之為超高速充電。恒流充電方式：恒流充電法是保持充電電流強(qiáng)度不變的充電。方法，恒流充電器通常使用慢速充電電流?？焖僮詣映潆姺绞剑和ǔＫ褂玫氖怯嘞曳ǔ潆?，也就是說并非用恒定的大電流充電，而是像余弦波那樣電流強(qiáng)度隨之變化，這樣能緩解熱量的積聚，從而將溫度控制在一定范

11、圍內(nèi)。脈沖式充電法：脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)。24如何計(jì)算充電時間充電時間(小時)=充電電池容量(mAh)/充電電流(mA)*1.5的系數(shù)假如你用1600mAh的充電電池，充電器用400mA的電流充電，則充電時間為:1600/400*1.5=6小時25鋰離子電池保護(hù)線路過充電保護(hù)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(diǎn)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。

12、26鋰離子電池保護(hù)線路過放電保護(hù)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(diǎn)（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?，以避免電池過放電現(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 27什么叫鋰離子電池？ 鋰離子電池是指Li+ 嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物L(fēng)iXCoO2、LiXNiO2

13、 、 LiXMnO2 或LiFeO4 負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。電解質(zhì)為溶解有鋰鹽LiPF6 、 LiAsF6等有機(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，被形象的稱為“搖椅電池”。 充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。 放電時則相反。28鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理正極反應(yīng)：LiCoO2= Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 負(fù)極反應(yīng)：C + xLi+ + xe- = CLix 電池總反應(yīng)：LiCoO2 + C = Li1-xCoO2 + CLix 放電時發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。29鋰離子電池結(jié)構(gòu)正極 活性物質(zhì)（LiCoO2Li

14、MnO2LiNixCo1-xO2LiFeO4) 導(dǎo)電劑、溶劑、粘合劑、基體 負(fù)極 活性物質(zhì)（石墨、MCMB) 粘合劑、溶劑、基體 隔膜（PP+PE）電解液（LiPF6 + DMC EC EMC)外殼五金件（鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片）30圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖密封圈限流開關(guān)隔膜絕緣墊正極極耳負(fù)極極耳正極負(fù)極圓柱型31鋰離子電池結(jié)構(gòu)正極正極基體：鋁箔（約0.020mm厚)正極物質(zhì)：鈷酸鋰+碳黑+PVDF正極集流體：鋁帶（約0.1mm厚）32鋰離子電池結(jié)構(gòu)負(fù)極負(fù)極基體：銅箔（約0.015mm厚)負(fù)極物質(zhì)：石墨+CMC+SBR負(fù)極集流體：鎳帶（約0.07mm厚）33鋰離子電池結(jié)構(gòu)隔膜材質(zhì)：單層PE（聚

15、乙烯）或者 三層復(fù)合PP（聚丙烯） +PE+PP厚度：單層一般為0.0160.020mm 三層一般為0.0200.025mm34鋰離子電池結(jié)構(gòu)電解液性質(zhì)： 無色透明液體，具有較強(qiáng)吸濕性。應(yīng)用： 主要用于可充電鋰離子電池的電解液，只能在干燥環(huán)境下使用操作（如環(huán)境水分小于20ppm的手套箱內(nèi)）。規(guī)格： 溶劑組成 DMC:EMC:EC =1:1:1 （重量比） LiPF6濃度 1mol/l質(zhì)量指標(biāo)： 密度（25）g/cm3 1.230.03 水分（卡爾費(fèi)休法） 20ppm 游離酸（以HF計(jì)） 50ppm 電導(dǎo)率（25） 10.40.5 mscm35以磷酸鐵鋰為正級材料的動力電池特點(diǎn)循環(huán)壽命長：循環(huán)壽

16、命高達(dá) 2,000 次以上，為鉛酸的 5倍、鎳鎘的4倍以上。放電功率大：放電功率分別為鉛酸、鎳氫電池的 6.6、2.5 倍，極適用在需要高功率的工具電池，大型動力電池，特別是車用電池部分。充電時間短：充電時間不到 2 小時，僅需鉛酸電池的1/4、鎳鎘的1/2。 轉(zhuǎn)換效率佳：轉(zhuǎn)換效率達(dá)95%，優(yōu)于鉛酸的60 %、鎳鎘的70%。 輕薄短小：體積重量僅為鉛酸的50%，鎳鎘的70%。 無污染，不含任何對人體有害的重金屬元素；36磷酸鐵鋰動力電池的應(yīng)用領(lǐng)域電動工具類 ：高功率電動工具（無線） ；電錘、電鉆、除草機(jī)等；電動自行車(Ebike)市場 電動玩具市場 太陽能 LED路燈儲能市場 小型設(shè)備 醫(yī)療設(shè)

17、備：電動輪椅車，電動代步車固定型電源：主要用于通訊、移動基站、電信、鐵路運(yùn)輸、電力、金融、發(fā)電廠、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為保護(hù)、自動控制的備用電源 其它小型電器 ：礦燈、替代鉛酸,鎳氫,鎳鎘,鋰鈷,鋰錳類電池在小型電器上的應(yīng)用(2009鎳鎘將全面退出市場)37圓柱型磷酸鐵鋰動力組合電池8串4并成品組合電池38液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程配料卷繞注液檢測包裝拉漿制片化成激光焊裁片39配料工藝流程正極干粉處理正極篩漿料正極混干粉正極真空攪拌負(fù)極干粉處理負(fù)極真空攪拌負(fù)極篩粉負(fù)極攪拌負(fù)極篩漿料正極拉漿負(fù)極拉漿正極負(fù)極40拉漿工藝流程送 帶上 漿正、負(fù)極漿料正、負(fù)極裁片烘烤收 帶41裁片工藝流程正極裁大片正極劃線刮粉正極片輥切負(fù)極裁大片負(fù)極稱重分檔負(fù)極劃線刮粉負(fù)極片輥切正極稱重分檔負(fù)極吸塵正極制片負(fù)極制片42制片工藝流程正極真空烘烤正極吸塵正極片輥壓負(fù)極真空烘烤負(fù)極吸塵負(fù)極片輥壓負(fù)極貼膠紙正極焊極耳負(fù)極焊極耳卷繞卷繞正極貼膠紙正極吸塵負(fù)極沖壓極耳43卷繞工藝流程卷繞貼底部膠紙壓芯入殼正、負(fù)極片配片隔膜隔膜裁剪測短路套絕緣片并固定負(fù)、正極極耳點(diǎn)焊離心入殼測短路壓蓋帽激光焊底部超聲焊鋁鎳復(fù)合帶44激光焊工藝流程上夾具稱重分級激光焊接注液全檢內(nèi)阻全檢氣密性45注液工藝流程真空烘烤稱重注液化成貼膠紙?zhí)啄z圈擦洗46化成工藝流程高溫烘烤分容化成測電壓、貼不干膠，半成品入庫清洗壓鋼珠高溫