鋰離子電池原理及基礎(chǔ)知識(shí)介紹

鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)Sept.,2010第一頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池的歷史人類(lèi)對(duì)便攜能源的追求：高能量密度，高性能，方便快捷，經(jīng)濟(jì)環(huán)保不懈追求高能電池鋰電池聚合物電解質(zhì)安全問(wèn)題炭負(fù)極聚合物鋰離子繁榮的鋰離子電池石墨負(fù)極鋰離子Li固體電解質(zhì)安全活性材料二次電池70年代1989年1993年90年代應(yīng)用領(lǐng)域的深化和拓展第二頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池應(yīng)用第三頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池種類(lèi)按外形：圓柱形、方形、異形按包裝材質(zhì)：鋼殼、鋁殼、鋁塑軟包裝按電解液：液態(tài)鋰離子、凝膠聚合物、固體聚合物按構(gòu)造：層疊式、卷繞式按性能：高能量、高功率（高倍率）按應(yīng)用：便攜小器件、電動(dòng)能源第四頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：能量密度高單電池電壓高污染小，綠色環(huán)保不足:安全（在逐步提高）價(jià)格（現(xiàn)在很便宜了）第五頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池的構(gòu)造五要素：正極材料：含鋰的過(guò)渡族金屬化合物負(fù)極材料：炭材料隔離膜：PP、PE類(lèi)電解液：含鋰鹽的有機(jī)電解液包裝：軟包裝、鋼殼、鋁殼第六頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池正極材料種類(lèi)：Ni、Co、Mn的化合物：鈷酸鋰，鎳錳鈷鋰，鎳鈷鋰，尖錳磷酸鹽類(lèi)：磷酸鐵鋰，磷酸釩鋰結(jié)構(gòu)：層狀結(jié)構(gòu)三維隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（鈷酸鋰）：藍(lán)黑色固體粉末易吸潮真實(shí)密度～5g/cc，振實(shí)密度～2.5g/cc，粒度～8um容量～140mAh/g第七頁(yè)，共四十五頁(yè)。鈷酸鋰鈷原子層、氧原子層和鋰原子層交替堆疊而成的層狀晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)式：LixCoO2通過(guò)高溫?zé)Y(jié)制造的陶瓷材料鈷氧鋰第八頁(yè)，共四十五頁(yè)。鈷酸鋰的電性能可逆容量：~140mAh/g平臺(tái):電壓范圍:01505010034VmAh/gIrrRev首次充電首次放電第九頁(yè)，共四十五頁(yè)。鈷酸鋰的電性能LiCoO2過(guò)充區(qū)域安全使用范圍3.04.05.0LiCoO2Li0.5CoO2Li0.8CoO2極度危險(xiǎn)區(qū)域完全失效區(qū)域0mAh/g137mAh/g200mAh/g第十頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池負(fù)極材料種類(lèi)：炭材料家族：人造石墨、天然石墨、硬炭非炭類(lèi)：硅炭、錫合金結(jié)構(gòu)（石墨）：層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：黑色固體粉末真實(shí)密度～2.2g/cc，振實(shí)密度～1.1g/cc，粒度～20um容量～340mAh/g第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。石墨和石墨層間化合物鋰離子存儲(chǔ)在石墨層中，以一定的結(jié)構(gòu)形式存在，形成化合物L(fēng)ixC6(0≤x≤1)，稱(chēng)之為石墨層間化合物（GICs)，不同x對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)GICs。第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。石墨的電性能幾個(gè)平臺(tái)？平臺(tái)：可逆容量：~300-360mAh/g不可逆容量：首次充電過(guò)程損失部分RevIrrSEI第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。充電后的負(fù)極石墨顏色變化黑色－－淡藍(lán)色－－黃褐色－－金黃色觀察我們的負(fù)極化學(xué)活性非?；顫?，遇空氣易氧化，遇水劇烈反應(yīng)拆電池時(shí)要注意熱穩(wěn)定性溫度越高越活潑，熱穩(wěn)定性差第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池電解液溶劑－有機(jī)碳酸脂溶劑環(huán)狀脂：EC、PC、GBL鏈狀脂：DEC、DMC、EMC、MPC鹽－大陰離子鋰鹽LiPF6、LiBF4特點(diǎn)：密度：～1.2g/cc電導(dǎo)率：~8mS·cm粘度：～3.5mPa·s（大約是水的三倍）要求極低的水分含量（我們?cè)诔涞獨(dú)馐痔紫渲泄嘧㈦娊庖海┛刂艸F含量第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池電解液第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。電解液作用環(huán)狀脂的作用：電解質(zhì)鹽強(qiáng)電離溶劑高沸點(diǎn)鏈狀脂的作用：稀釋電解液部分電離鹽的作用一般使用狀態(tài)：25－50％環(huán)狀脂＋75－50％鏈狀脂

1MLiPF6水分、HF<20ppm第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。電解液對(duì)電池的影響SEI電解液對(duì)SEI層質(zhì)量起主導(dǎo)作用內(nèi)阻產(chǎn)生一定的內(nèi)阻大電流時(shí)的濃差極化較大熱穩(wěn)定性高溫時(shí)部分溶劑可能氣化，鼓脹電池鹽在高溫下分解加速安全有氧化燃燒的危險(xiǎn)第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池隔離膜多孔有機(jī)高分子膜（某些聚合物電池例外）：PP膜、PE膜、復(fù)合膜特點(diǎn)：孔隙率：～45％孔徑：<0.5um強(qiáng)度：MD，TD厚度：～20um收縮率：～2％第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。隔離膜隔離膜對(duì)電池性能的影響和如何避免內(nèi)阻：影響離子傳導(dǎo)有效面積和距離自放電安全問(wèn)題隔離膜在電池中會(huì)老化嗎？第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)。我們的集流體粉末正、負(fù)極材料的家構(gòu)成電極的一部分匯集電流正極：鋁箔負(fù)極：銅箔如果負(fù)極用鋁箔呢？對(duì)集流體有哪些要求？第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。包裝箔有幾層？我們的包裝箔是多層鋁塑復(fù)合材料每層有各自的功能對(duì)包裝箔的保護(hù)要注意哪些方面？尼龍層鋁箔層PP層尼龍層鋁箔層PP層鋁塑包裝箔第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池工作原理鋰離子在正、負(fù)極之間循環(huán)旅游，這個(gè)旅游過(guò)程表現(xiàn)為電池放電或充電充電放電負(fù)載eeDischargeChargeElectrolyteeeeeeeee+_集流體集流體負(fù)極正極Li1-xCoO2LixC6第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池工作原理正極：負(fù)極：總的反應(yīng)：第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。鋰離子電池工作原理電池首次充電放電過(guò)程叫電池活化：正、負(fù)極材料表面形成的SEI層，構(gòu)成穩(wěn)定的界面。去除大部分雜質(zhì)形成穩(wěn)定的電化學(xué)體系活化過(guò)程會(huì)消耗部分能量，構(gòu)成了不可逆容量部分SEI層的質(zhì)量很大程度上決定了電池的質(zhì)量第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。SEI層是什么？相當(dāng)于一個(gè)保護(hù)鈍化膜，是通過(guò)電化學(xué)鈍化形成的，厚度為納米級(jí)。主要成分是電解液中成分在正、負(fù)極表面分解的產(chǎn)物：無(wú)機(jī)鋰：LiF,Li2O有機(jī)鋰：LiR特點(diǎn)：鋰離子導(dǎo)通，電子絕緣?。?！SEI層對(duì)負(fù)極尤為重要SEI層的重要意義：保護(hù)了電極材料不受電解液的侵蝕保證了電池的效率和循環(huán)使用第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。負(fù)極SEI層形成過(guò)程EC作用巨大PC產(chǎn)生破壞鏈狀脂貢獻(xiàn)小添加劑可以彌補(bǔ)固體產(chǎn)物在電極表面附著，氣體需要排出Li+Li+solLi+固體－電解質(zhì)界面e-e-e-溶劑分解反應(yīng)產(chǎn)生氣體溶劑化鋰離子Li＋的吸附溶劑化鋰離子Li＋（副反應(yīng)）溶劑化鋰離子Li＋sol（插入反應(yīng)）溶劑不溶產(chǎn)物如Li2CO3可溶產(chǎn)物溶液溶劑聚合鹽的陰離子LiF,LiCl,Li2O沉淀第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。電池負(fù)極析鋰當(dāng)負(fù)極不夠容納、或來(lái)不及容納來(lái)自正極的鋰離子時(shí)，鋰離子就會(huì)在負(fù)極表面以金屬鋰的形式析出，并繼而和電解液等反應(yīng)生產(chǎn)副產(chǎn)物沉積在負(fù)極表面，并可能產(chǎn)生氣體。觀察中可以看到析鋰后的負(fù)極表面好似有一層粘性附著物。電池要避免析鋰。第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。電池性能有哪些體現(xiàn)和要求電性能能量密度循環(huán)性能內(nèi)阻倍率性能安全性能（UL1642，GB/T18287-2000）非正常充放電安全性能環(huán)境安全性能機(jī)械安全性能第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。能量密度和內(nèi)阻能量密度：高容量電池：～400Wh/L,160Wh/kg383450?高功率電池：～300Wh/L,110Wh/kg內(nèi)阻電池結(jié)構(gòu)：極片厚度、長(zhǎng)度、寬度材料特性一般和容量成反比第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)。循環(huán)性能一般要求：常溫>500％（20％容量衰減）環(huán)境影響：30－40度表現(xiàn)最佳，>50度衰減加速較大為什么會(huì)衰減？材料界面第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。倍率性能一般使用對(duì)倍率的要求約1C大電流電池要求很高的倍率放電性能，如5C，10C等。第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。自放電自放電比較小，常溫存儲(chǔ)<5％/月。正常自放電來(lái)源？自蝕內(nèi)部微電流消耗異常情況？微短路雜質(zhì)腐蝕材料不穩(wěn)定第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。高溫存儲(chǔ)測(cè)試在某種SOC下，一定溫度下存儲(chǔ)后的容量保持率、內(nèi)阻變化和厚度增長(zhǎng)。一般測(cè)試溫度有60、80、85度對(duì)軟包裝電池，最重要的是厚度增長(zhǎng)不能超標(biāo)（一般要求<10％）。第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。高溫高濕對(duì)電池密封性的一種測(cè)試。測(cè)試環(huán)境濕度約95％，溫度為65度。要求容量保持率、內(nèi)阻變化和厚度變化在規(guī)定范圍內(nèi)。第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)。熱箱測(cè)試評(píng)估電池在環(huán)境溫度超標(biāo)情況下電池的安全性能。UL測(cè)試為130度，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不冒煙不著火不爆炸。失效原因可能是正極或負(fù)極和電解液反應(yīng)，或隔離膜收縮導(dǎo)致的局部短路。第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)。短路UL要求滿(mǎn)充電池在100mohm電阻導(dǎo)線(xiàn)短路條件下電池不冒煙不著火不爆炸。測(cè)試環(huán)境溫度影響很大，60度測(cè)試比較苛刻。主要失效原因是短時(shí)大電流放電發(fā)熱導(dǎo)致電池內(nèi)部反應(yīng)失控或短路。第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)。穿釘評(píng)估電池非正常內(nèi)短路條件下的安全特性。UL要求在2.8mm鐵釘刺穿后不冒煙不著火不爆炸。主要失效原因是局部短路和過(guò)熱造成的反應(yīng)失控。第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)。過(guò)充模擬電池使用過(guò)程中可能會(huì)面臨的非正常充電狀態(tài)下安全性能，要求不冒煙，不著火，不爆炸。正極是過(guò)充失效的主要控制環(huán)節(jié)。主要失效原因是正極導(dǎo)致的熱失控和化學(xué)反應(yīng)失控。第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)。過(guò)放要求放電到0V不冒煙不起火不爆炸。我們的電池一般只是鼓氣，百分百通過(guò)。第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)。振動(dòng)擠壓沖擊測(cè)試模擬測(cè)試電池抗意外機(jī)械破壞時(shí)的安全特性。第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)。第四十二頁(yè)，共四十五頁(yè)。90Ah單體電池基本參數(shù)標(biāo)稱(chēng)電壓3.8V額定容量90Ah（1/3C3A充放電）內(nèi)阻≤1.3mΩ充電截止電壓4.20±0.01V標(biāo)準(zhǔn)充電方法室溫下先30A恒流充電至4.20V，再恒壓4.20V充電直至充電電流≤3A標(biāo)準(zhǔn)放電方法電流：30A放電截止電壓：3.0V最大放電電流持續(xù)放電：90A瞬間放電：180A（≤30s）循環(huán)壽命(室溫)≥1000次（100％DOD，1/3C3A充0.5C3A放電，容量≥70％額定容量）電池重量2800±20g荷電保持>90％（25℃儲(chǔ)存28天后）外包裝材料鋁塑膜第四十三頁(yè)，共四十五頁(yè)。電動(dòng)車(chē)電池組基本參數(shù)項(xiàng)目小箱體大箱體備注數(shù)量7個(gè)3個(gè)共10個(gè)每箱電池?cái)?shù)量32支64支每車(chē)總計(jì)416支組合方式4并8串4并16串額定電壓30.4V60.8V電壓范圍24～33.6V48～67.2V單體3.0～4.2V絕緣電阻>50MΩ>50MΩ使用AC1000V搖表測(cè)試箱體尺寸長(zhǎng)465±1mm808±1mm寬808±1mm808±1mm高331±1mm331±1mm重量134±1kg242±1kgBMS內(nèi)置內(nèi)置工作電壓DC24V第四十四頁(yè)，共四十五頁(yè)。內(nèi)容梗概鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)。人類(lèi)對(duì)便攜能源的追求：高能量密度，高性能，方便快捷，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。按外形：圓柱形、方形、異形。按包裝材質(zhì)：鋼殼、鋁殼、鋁塑軟包裝。按電解液：液態(tài)鋰離子、凝膠聚合物、固體聚合物。負(fù)極材料：炭材料。電解液：含鋰鹽的有機(jī)電解液。包裝：軟包裝、鋼殼、鋁殼。Ni、Co、Mn的化合物：鈷酸鋰，鎳錳鈷鋰，鎳鈷鋰，尖錳。真實(shí)密度～5g/cc，振實(shí)密度～2.5g/cc，粒度～8um。鈷原子層、氧原子層和鋰原子層交替堆疊而成的層狀晶體結(jié)構(gòu)。炭材料家族：人造石墨、天然石墨、硬炭。真實(shí)密度～2.2g/cc，振實(shí)密度～1.1g/cc，粒度～20um。石墨和石墨層間化合物。鋰離子存儲(chǔ)在石墨層中，以一定的結(jié)構(gòu)形式存在，形成化合