鋰離子電池基礎(chǔ)知識課件

鋰離子電池基礎(chǔ)知識綱要二、鋰離子電池基本原理三、鋰離子電池主要性能指標四、鋰離子電池與其他種類電池的比較一、電池發(fā)展史五、鋰離子電池制作基本工藝流程簡介電池發(fā)展史電池的誕生

電池的誕生，基于人們對于獲取持續(xù)而穩(wěn)定的電流的需要。不過，電池的發(fā)明，是來源于一次青蛙的解剖實驗所產(chǎn)生的靈感，多少有些偶然。1780年的一天，意大利解剖學(xué)家伽伐尼（LuigiGalvani）在做青蛙解剖時，兩手分別拿著不同的金屬器械，無意中同時碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到電流的刺激，而如果只用一種金屬器械去觸動青蛙，就無此種反應(yīng)。伽伐尼認為，出現(xiàn)這種現(xiàn)像是因為動物軀體內(nèi)部產(chǎn)生的一種電，他稱之為“生物電”。電池發(fā)展史“本生電池”和“格羅夫電池”

1836年，英國的丹尼爾對“伏特電堆”進行了改良，又陸續(xù)有效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問世。然而在當時，無論哪種電池都需在兩個金屬板之間灌裝液體，搬運很不方便，特特別是蓄電池所用液體是硫酸，在挪動時很危險。電池發(fā)展史干電池的誕生

干電池在19世紀中后期誕生。法國的雷克蘭(GeorgeLeclanche)在1860年發(fā)明一種新型電池。它的負極是鋅和汞的合金棒(鋅－伏特原型電池的負極，經(jīng)證明是作為負極材料的最佳金屬之一)，而它的正極是以一個多孔的杯子盛裝著碾碎的二氧化錳和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作為電流收集器。負極棒和正極杯都被浸在作為電解液的氯化銨溶液中。此系統(tǒng)被稱為“濕電池”。雷克蘭士制造的電池雖然簡陋但卻便宜，到1880年，這種電池被改進的“干電池”取代。負極被改進成鋅罐（即電池的外殼），電解液變?yōu)楹隣疃且后w，基本上這就是現(xiàn)在我們所熟知的碳鋅電池。電池發(fā)展史可充電電池在干電池技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，新的問題又出現(xiàn)了。人們發(fā)現(xiàn)，干電池盡管使用方便、價格低廉，但用完即廢，無法重新利用。另外，由于以金屬為原料容易造成原材料浪費，廢棄電池還會造成環(huán)境污染。于是，能夠經(jīng)過多次充電放電循環(huán)，反復(fù)使用的蓄電池成為新的方向。蓄電池的最早出現(xiàn)時間同樣可以追溯到1860年。當年，法國人普朗泰（GastonPlante）發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是，當電池使用一段時間電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因為這種電池能充電，并可反復(fù)使用，所以稱它為“蓄電池”1890年，愛迪生發(fā)明可充電的鐵鎳電池，1910年可充電的鐵鎳電池商業(yè)化生產(chǎn)。電池發(fā)展史鋰離子電池進入20世紀后，電池理論和技術(shù)一度處于停滯狀態(tài)，但在二次世界大戰(zhàn)之后，隨著一些基礎(chǔ)研究在理論上取得突破、新型電極材料的開發(fā)和各類用電器具日新月異的發(fā)展，電池技術(shù)又進入了一個快速發(fā)展的時期，科學(xué)家首先發(fā)展了堿性鋅錳電池。進入80年代，科學(xué)技術(shù)發(fā)展越發(fā)迅速，對化學(xué)電源的要求也日益增多、增高。如集成電路的發(fā)展，要求化學(xué)電源必須小型化；電子器械、醫(yī)療器械和家用電器的普及不僅要求化學(xué)電源體積小，而且還要求能量密度高、密封性和貯存性能好、電壓精度高。因此電池池的研究重點轉(zhuǎn)向蓄電池，1988年，鎳鎘電池實現(xiàn)商品化。1992年，鋰離子電池實現(xiàn)商品化，1999年，聚合物鋰離子蓄電池進入市場。電池發(fā)展史1956年Energizer.制造第一個9伏電池；1956年我國建設(shè)第一個鎳鎘電池工廠（風(fēng)云器材廠（755廠）；1960前后UnionCarbide.商業(yè)化生產(chǎn)堿性電池，我國開始研究堿性電池（西安慶華廠等三家合作研發(fā)）；1970前后出現(xiàn)免維護鉛酸電池；1970前后一次鋰電池實用化；1976年P(guān)hilipsResearch的科學(xué)家發(fā)明鎳氫電池；1980前后開發(fā)出穩(wěn)定的用于鎳氫電池的合金；1983年我國開始研究鎳氫電池（南開大學(xué)）；1987年我國改進鎳鎘電池工藝，采用發(fā)泡鎳，電池容量提升40％；1987前我國商業(yè)化生產(chǎn)一次鋰電池；

電池發(fā)展史1989年我國鎳氫電池研究列入國家計劃；1990前出現(xiàn)角型（口香糖型）電池；1990前后鎳氫電池商業(yè)化生產(chǎn)；1991年Sony.可充電鋰離子電池商業(yè)化生產(chǎn)；1992年KarlKordesch,JosefGsellmannandKlausTomantschger取得堿性充電電池專利；1992年BatteryTechnologies,Inc.生產(chǎn)堿性充電電池；1995年我國鎳氫電池商業(yè)化生產(chǎn)初具規(guī)模；1999年可充電鋰聚合物電池商業(yè)化生產(chǎn)；2000年我國鋰離子電池商業(yè)化生產(chǎn)；2000后燃料電池，太陽能電池、磷酸鐵鋰電池成為全世界矚目的新能源發(fā)展問題的焦點，中南大學(xué)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。鋰離子電池基本原理機理簡介：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(jié)構(gòu)，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。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。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。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。鋰離子電池基本原理充放電機理：鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽命的2~4倍。鋰離子電池主要性能指標電池的容量電池的容量有額定容量和實際容量之分。電池的額定容量是指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，以5h率放電至終止電壓時所應(yīng)提供的電量，用C5表示。電池的實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度的影響（故嚴格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條件）。容量單位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。鋰離子電池主要性能指標電壓

開路電壓是指電池在非工作狀態(tài)下即電路中無電流流過時，電池正負極之間的電勢差。一般情況下，鋰離子電池充滿電后開路電壓為4.1—4.2V左右，放電后開路電壓為3.0V左右。通過對電池的開路電壓的檢測，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。

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。鋰離子電池主要性能指標放電平臺時間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。鋰離子電池主要性能指標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，則10A為1C（1倍率），5A則為0.5C，100A為10C，以此類推。鋰離子電池主要性能指標效率

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(xué)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，放電倍率越高，則放電效率越低。溫度越低，放電效率越低。鋰離子電池主要性能指標循環(huán)壽命電池循環(huán)壽命是指電池容量下降到某一規(guī)定的值時，電池在某一充放電制度下所經(jīng)歷的充放電次數(shù)。鋰離子電池GB規(guī)定，1C條件下電池循環(huán)500次后容量保持率在60%以上。

鋰離子電池與其他種類電池的比較電壓高單體電池工作電壓高達3.7V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的近2倍，這也是鋰離子動力電池比能量高的一個重要原因。因此組成相同電壓的動力電池組時，鋰離子動力電池使用的串聯(lián)數(shù)目會大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動力電池中單體電池數(shù)量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實際使用過程中電池組有問題分析后，一般是其中一、兩個單體電池出問題然后導(dǎo)致整組電池出現(xiàn)問題，因此不難理解為什么48V的鉛酸電池比36V的鉛酸電池反饋要高，從這個角度上講鋰電更適合動力電池的使用。例如36V的鋰電只需要10個單體，而36V鉛酸電池需要18個單體電池，即3只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個單格即六個單體電池組成。鋰離子電池與其他種類電池的比較體積比能量大鋰離子電池體積比能量高達到400Wh/L，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。提供了更合理的結(jié)構(gòu)和更美觀的外形的設(shè)計條件、設(shè)計空間和可能性?，F(xiàn)階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設(shè)計師們的設(shè)計思想受到極大約束，導(dǎo)致現(xiàn)階段的電動自行車在結(jié)構(gòu)和外觀上“千車一面”、雷同相似、單調(diào)劃一。而鋰離子電池的使用，給設(shè)計師們提供了展示設(shè)計思想和設(shè)計風(fēng)格的更大空間及條件。鋰離子電池與其他種類電池的比較循環(huán)壽命長鋰離子電池循環(huán)次數(shù)可達1000次。以容量保持80%計，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達到500次以上，使用年限可達3-5年,壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術(shù)的革新，設(shè)備的提高，電池的壽命會越來越長，性價比會越來越高。鋰離子電池與其他種類電池的比較綠色能源鋰離子動力電池中不存在有毒物質(zhì)，因此被稱為“綠色電池”，國家重點扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質(zhì)鉛和鎘，國家必然會加強監(jiān)管和