新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修：任務(wù)3-2 鋰離子電池認(rèn)知與檢測

新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修《新能源汽車電池及管理系統(tǒng)檢修》學(xué)習(xí)情境3新能源汽車電池認(rèn)知與檢測

任務(wù)3.2鋰離子電池認(rèn)知與檢測

小王和小李在測量鋰離子電池端電壓時，小王測得的數(shù)值是3.2V，小李測得的數(shù)值是3.7V，他們都說自己測量的正確，而對方測量錯誤。請你來為他們求證并向他們做出解釋。任務(wù)描述01能介紹鋰離子電池的特點02能介紹鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理03能正確、規(guī)范檢測鋰離子電池學(xué)習(xí)目標(biāo)思政目標(biāo)！能按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，提高規(guī)范作業(yè)意識。PART1鋰電池認(rèn)知鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料的電池的總稱。它是目前：新能源汽車電池的主流電池，可以使用在便攜式設(shè)備、衛(wèi)星儲備電源等各種領(lǐng)域。一、鋰電池認(rèn)知（1）鋰電池的分類2鋰離子電池1鋰電池以金屬鋰為負(fù)極以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池1.以鋰電池的正負(fù)極材料分類鋰離子電池優(yōu)點根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料的不同，2聚合物鋰離子電池1液態(tài)鋰離子電池（LiquifiedLithium-IonBattery，簡稱為LIB）（PolymerLithiumIonBattery，簡稱為PLB）聚合物鋰離子電池與液態(tài)鋰離子電池工作原理一樣，但在電池結(jié)構(gòu)和電池制造工藝上與液態(tài)鋰離子電池有著根本的區(qū)別。其一，聚合物鋰離子電池的電解質(zhì)是以固態(tài)或膠體的形式存在的，

沒有自由液體，不會流動，不存在泄漏問題，因而加工性和可

靠性大大提高，不需要金屬外殼，可以制成全塑包裝，減輕重量。其二，電解質(zhì)可以同塑料電極疊合，使高能量與長壽命結(jié)合起來，

并且形狀和大小可調(diào)，適用的范圍大大增加。其三，由于電解液被聚合物中的網(wǎng)絡(luò)所捕捉，均勻地分散在分子結(jié)構(gòu)中，

因而電池的安全性也大大地提高。2.鋰離子電池根據(jù)正極材料不同鈷酸鋰電池錳酸鋰電池磷酸鐵鋰電池三元鋰電池

3.以鋰電池的外形分類從外形分類，鋰電池一般可分為圓柱形和方形兩種，

聚合物鋰離子電池除制成圓形和方形外，

還可根據(jù)需要制成任意形狀。圓柱形的方形的軟包裝聚合物（二）鋰離子電池的優(yōu)點2比能量大3循環(huán)壽命長4安全性能好1電壓高6充電快速7工作溫度5自放電小1.電壓高鉛酸電池：2.1V鎳氫電池：1.2V磷酸鐵鋰電池：3.2V三元鋰電池：3.7V2.比能量大3.循環(huán)壽命長4.環(huán)保安全鋰電池?zé)o公害，無記憶效應(yīng)。鋰電池不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素。鋰電池的月放電率為總?cè)萘康?%~9%鎳鎘電池25%~30%鎳氫電池15~20%5.自放電小6.充電快速以1C充電30分鐘，鋰離子電池容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上7.工作溫度范圍寬鋰離子電池工作溫度范圍寬。隨著電解液和正極的改進(jìn)，其工作溫度期望能擴(kuò)寬到-40℃～70℃。與其他充電電池不同，鋰離子電池的容量會緩慢衰退。這與使用次數(shù)有關(guān)，也與溫度有關(guān)。這種衰退的現(xiàn)象可以用容量減小表示，也可以用內(nèi)阻升高表示。2.鋰離子電池的優(yōu)點1.鋰電池的分類鋰離子電池認(rèn)知PART2鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理

鋰離子電池常見的結(jié)構(gòu)形式有

圓柱碳包式方型疊片式圓柱疊片式圓柱卷繞式方型卷繞式外殼正極負(fù)極電解液隔膜鋰離子電池主要由外殼、正極、負(fù)極、隔膜和電解液五部分組成。1.正極

正極活性物質(zhì)在鈷酸鋰電池中以鈷酸鋰為主要原料，在錳酸鋰電池中以錳酸鋰為主要原料，在磷酸鐵鋰電池中以磷酸鐵鋰為主要原料。在正極活性物質(zhì)中加入導(dǎo)電劑、樹脂黏合劑，并涂覆在鋁基體上，呈細(xì)薄層分布。一、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)2.負(fù)極負(fù)極活性物質(zhì)是由炭材料與黏合劑的混合物再加上有機(jī)溶劑調(diào)和成糊狀，并涂覆在銅基上，成薄層狀分布。3.隔膜一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，

防止正、負(fù)極短路。

可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。隔膜是鋰離子電池關(guān)鍵內(nèi)層組件。設(shè)置隔膜是防止鋰電池?zé)崾Э氐闹饕胧┲?。隔膜材料本身具有微孔結(jié)構(gòu)，孔徑一般在0.03～0.12μm?？讖教黾与娮瑁讖教笠资拐?fù)極接觸或被枝晶刺穿短路目前鋰電池用隔膜一般提供一個熱關(guān)閉功能，由此為鋰電池提供了一個額外的熱保護(hù)。衡量該功能主要參數(shù)為閉孔溫度和破膜溫度。閉孔溫度是微孔閉合時的溫度。當(dāng)鋰電池內(nèi)部發(fā)生放熱反應(yīng)、過充電或者鋰電池外部短路時，這些情況都會產(chǎn)生大量的熱量。由于聚烯烴材料的熱塑性，當(dāng)溫度接近聚合物熔點時，

微孔閉合形成熱關(guān)閉，

從而阻斷離子的繼續(xù)傳輸而形成斷路，起到保護(hù)鋰電池的作用。外部短路使鋰電池內(nèi)部溫度升高，超過閉合溫度后微孔阻塞，阻斷電流通過。熱熔性能溫度進(jìn)一步上升，造成隔膜破裂、鋰電池短路。隔膜破裂時的溫度即為破膜溫度。破膜溫度高一些較好，目前可以做到200℃。鋰電池廠家都希望隔膜有較低的閉孔溫度和較高的破膜溫度。雖然鋰電池隔膜有熱關(guān)閉的輔助作用，

但絕不能將鋰電池的安全性全寄托在這層薄薄的膜上，

隔膜在碰到穿刺破壞、超高溫沖擊及電池結(jié)構(gòu)破壞時是起不到保護(hù)作用的，

鋰電池的安全性還要靠改善正負(fù)極材料、提高電解質(zhì)的穩(wěn)定性、

控制電池組件來全面提升。4.電解液

電解質(zhì)稱為鋰電池的“血液”，在鋰電池的正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)作用，是鋰電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。

鋼殼（方型很少使用）鋁殼鍍鎳鐵殼鋁塑膜（軟包裝）還有電池的蓋帽，也是電池的正負(fù)極引出端。5.電池外殼Li+Li+Li+Li+Li+e-e-電源e-e-充電時晶體結(jié)構(gòu)正極材料上的鋰分成鋰離子和電子，電子通過外部充電電路跑到負(fù)極上，正鋰離子從正極“脫嵌”進(jìn)入電解質(zhì)，穿過“隔膜”上彎彎曲曲的小洞，“嵌入”到達(dá)晶體狀結(jié)構(gòu)負(fù)極，與外部跑來的電子結(jié)合在一起。Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)插入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。二、鋰離子電池工作原理Li+Li+Li+Li+Li+e-e-負(fù)載e-e-放電時電子和鋰離子同時行動，電子從負(fù)極經(jīng)過外電路導(dǎo)體跑到正極，鋰離子從晶體狀結(jié)構(gòu)負(fù)極“脫插”進(jìn)入電解質(zhì)，“穿過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”嵌入正極晶體空隙，與外電路過來的電子結(jié)合在一起。2.鋰離子電池的工作原理1.鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成小結(jié)PART3鋰離子電池的失效機(jī)理一、過充電過充電情況下，各種類型的鋰離子電池都有較大的容量衰減。

過充電引起容量損失的原因：

焦炭或石墨負(fù)極的過充反應(yīng)；

正極過充反應(yīng)；

過充時電解液的氧化反應(yīng)。二、正極材料的溶解以尖晶石型為例，錳的溶解是引起可逆容量衰減的主要原因。錳的溶解沉積造成正極活性物質(zhì)減少。溶解的錳離子游離到負(fù)極時會造成負(fù)極SEI膜的不穩(wěn)定，被破壞的SEI膜再形成時會消耗鋰離子，造成鋰離子的減少。鋰離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，引起結(jié)構(gòu)膨脹與收縮，導(dǎo)致氧八面體偏離球?qū)ΨQ性而成為變形的八面體構(gòu)型。這種現(xiàn)象叫作Jahn-Teller效應(yīng)（或J-T扭曲）。三、正極材料的相變化在電池中，J-T效應(yīng)所導(dǎo)致的尖晶石結(jié)構(gòu)改變不可逆轉(zhuǎn)，這也是電池容量衰減的主要原因之一。J-T效應(yīng)多發(fā)生在過放電階段；在起始材料中加入過量的鋰、摻雜鎳、鈷、鉛等陽離子或者硫等陰離子可以有效地抑制J-T效應(yīng)。鋰離子電池中常用的電解液主要包括由各種有機(jī)碳酸酯的混合組成的溶劑，以及由鋰鹽組成的電解質(zhì)。在充電的條件下，電解液對含碳電極具有不穩(wěn)定性，故會發(fā)生還原反應(yīng)，電解液還原消耗了電解質(zhì)及其溶劑，對電池容量及循環(huán)壽命產(chǎn)生不良影響。四、電解液的分解鋰離子電池的自放電所導(dǎo)致的容量損失大部分是可逆的。造成不可逆自放電的原因主要有：鋰離子的損失；電解液氧化產(chǎn)物堵塞電極微孔，造成內(nèi)阻增大等。五、自放電因界面膜的形成而損失的鋰離子將導(dǎo)致兩級間容量平衡的改變，在最初的幾次循環(huán)中就會使電池的容量下降。另外，界面膜的形成使得部分石墨粒子和整