動力電池梯次利用技術(shù) 課件 2.1鋰離子蓄電池

動力電池梯次利用技術(shù)項(xiàng)目二新能源汽車動力電池及其管理技任務(wù)一鋰離子電池學(xué)習(xí)目標(biāo)一、知識目標(biāo)1.了解鋰離子電池的構(gòu)成及電池工作原理。2.掌握鋰離子電池的分類方法。3.了解鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)。4.了解鋰離子電池的充放電特性。二、技能目標(biāo)1.能正確識別各種鋰離子電池。2.能夠熟悉鋰離子電池的主要性能。3.能正確使用數(shù)字萬用表對鋰離子電池進(jìn)行電壓測量和正負(fù)極判別。三、素養(yǎng)目標(biāo)1.正確認(rèn)識自身崗位職責(zé)，愛崗敬業(yè)。2.嚴(yán)守崗位操作規(guī)程，保證工具、設(shè)備的安全使用。3.養(yǎng)成定期反思與總結(jié)的習(xí)慣，改進(jìn)不足。4.培養(yǎng)好奇心，增強(qiáng)創(chuàng)新意識，弘揚(yáng)創(chuàng)新精神。5.培養(yǎng)民族自信心，弘揚(yáng)愛國精神。6.嚴(yán)格執(zhí)行6S現(xiàn)場管理。學(xué)習(xí)目標(biāo)一名客戶第一次來到4S店想要購買一臺比亞迪漢汽車，由于了解到比亞迪漢汽車使用的是刀片電池，因此對刀片電池很感興趣。刀片電池其實(shí)是鋰離子電池的一種，作為一名銷售顧問，請你為客戶介紹鋰離子電池的基本知識。任務(wù)導(dǎo)入目錄鋰子電池的結(jié)構(gòu)01.鋰離子電池的分類02.鋰離子電池的充放電特性03.鋰離子電池的特點(diǎn)04.conents相關(guān)知識鋰離子電池認(rèn)知，鋰離子電池的測量任務(wù)實(shí)施鋰離子電池的結(jié)構(gòu)01PARTONE鋰離子電池是以鋰離子嵌入化合物為正極材料的電池的總稱。鋰離子電池因正、負(fù)極材料不同而性能有所差異。1.常用的正極材料有：鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰（俗稱三元）等材料；2.負(fù)極材料主要有：碳材料、在研發(fā)的錫基、硅基合金類等材料。目前，電動汽車所采用的鋰離子動力電池主要由電池包構(gòu)成，電池包的組成結(jié)構(gòu)如圖。鋰離子電池組成結(jié)構(gòu)電池包的組成鋰離子單體電池組成結(jié)構(gòu)鋰離子電池組成結(jié)構(gòu)鋰離子單體電池結(jié)構(gòu)基本相同，主要由正極、負(fù)極、隔離膜、電解液和殼體等組成。以圓柱形鋰離子電池為例，單體電池組成結(jié)構(gòu)如圖。由碳材料與黏合劑的混合物，加上有機(jī)溶劑調(diào)和制成為糊狀，并在銅基體上涂覆薄層形成。正極在錳酸鋰離子電池中以錳酸鋰為主，磷酸鐵鋰離子電池中以磷酸鐵鋰為主，在鎳鈷鋰離子電池中以鎳鈷鋰為主，在鎳鈷錳鋰離子電池中以鎳鈷錳鋰為主。鋰離子單體電池結(jié)構(gòu)負(fù)極電解液是由一種或幾種碳酸酯類溶劑組成，溶解有六氟磷酸鋰(LiPF6)、高氯酸鋰(LiClO4)、六氟硼酸鋰(LiBF4)等溶質(zhì)的有機(jī)電解液。隔離膜是放置于兩極之間，可以避免兩極上的活性物質(zhì)直接接觸而造成電池內(nèi)部的短路，但可以讓帶電Li+通過微孔膜形成通路，作為隔離電極的裝置。大多使用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或由PP+PE+PP三層復(fù)合而成的材料制成的多烯微孔膜。殼體包括電池外殼、蓋板、極耳、絕緣片、絕緣膠帶等。其中，電池外殼可分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，蓋板可分為正極蓋和負(fù)極蓋，是電池的正負(fù)極引出端。鋰離子單體電池結(jié)構(gòu)鋰離子電池是一種二次電池（可充電電池），主要依靠鋰離子在正負(fù)極之間的往返嵌入和脫嵌來工作，實(shí)現(xiàn)能量的存儲和釋放。鋰離子電池鋰離子電池的工作原理鋰離子電池工作原理工作原理：在放電過程中，鋰離子從負(fù)極中脫插，通過電解質(zhì)、隔膜（隔板），向正極中嵌入；在充電過程中，鋰離子從正極中脫嵌，通過電解質(zhì)、隔膜（隔板），向負(fù)極插入。充放電過程中，鋰離子來回在正負(fù)極之間遷移，因而，這樣的工作原理被形象地稱為“搖椅電池”。鋰離子電池鋰離子電池工作原理鋰離子電池的工作原理以鈷酸鋰正極、石墨負(fù)極系鋰離子電池為例：充電時：在外加電場的作用下，正極材料LiCoO2分子中的鋰脫離出來，成為帶正電荷的鋰離子（Li+），從正極移動到負(fù)極，與負(fù)極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，從而“穩(wěn)定”地嵌入到層狀石墨負(fù)極中放電時:內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，Li+從負(fù)極脫嵌，從電解液移動回到正極，重新成為鈷酸鋰分子LiCoO2。如圖鋰離子電池鋰離子電池的工作原理鈷酸鋰電池充放電原理鋰離子電池正極反應(yīng)：充電時鋰離子脫嵌，放電時鋰離子嵌入。充電時：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-放電時：Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2鋰離子電池負(fù)極反應(yīng)：充電時鋰離子嵌入，放電時鋰離子脫嵌。充電時：xLi++xe-+6C=LixC6放電時：LixC6=xLi++xe-+6C鋰離子電池鈷酸鋰電池充放電原理鋰離子電池的工作原理充電時總反應(yīng)??????????2+6??=????1?????????2+????????6放電時總反應(yīng)：????1?????????2+????????=??????????2+6??鋰離子電池鋰離子電池的工作原理鈷酸鋰電池充放電原理鋰離子的分類02PARTTWO圓柱形電池鋰離子電池的分類(按形狀分）一般按照鋰離子電池的外形分為圓柱形、方形、紐扣形、軟包裝結(jié)構(gòu)等。方形電池紐扣電池軟包鋰離子電池1.圓柱形鋰離子電池圓柱形鋰離子電池由于其體積及容量較小，此結(jié)構(gòu)一般為液態(tài)鋰離子電池所采用，也是最古老的結(jié)構(gòu)之一，偶爾在較早的手機(jī)上還能找到它的影子，大多數(shù)用在筆記本電腦的電池組里面。在汽車動力電池中，則需要很多電池并聯(lián)、串聯(lián)組成電池組，如美國特斯拉電動汽車ModelS，其動力電池采用的是7000多節(jié)型號為18650鋰離子電池，如圖鋰離子電池的分類(按形狀分）圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)2.方形鋰離子電池方形硬殼鋰離子電池殼體多為鋁合金、不銹鋼等材料，內(nèi)部采用卷繞式或疊片式工藝，結(jié)構(gòu)較為簡單，不像圓柱電池采用不銹鋼作為殼體及具有防爆安全閥等附件，因此整體附件重量較輕、可靠度較高及相對能量密度也較高。大多數(shù)方形電池都是聚合物鋰離子電池。因?yàn)榫酆衔镅诱剐院玫脑?，所以可以做出很多形狀，并隨意調(diào)整鋰離子電池的長寬高。鋰離子電池的分類(按形狀分）方形鋰離子電池結(jié)構(gòu)3.紐扣形鋰離子電池紐扣形鋰離子電池通常也是小容量的可充電電池，主要應(yīng)用在電腦主板、MP3手表、計(jì)算器、IC卡、電子詞典、藍(lán)牙耳機(jī)、手搖充電手電筒、玩具對講機(jī)等產(chǎn)品中。優(yōu)點(diǎn)：溫度使用廣泛，密封性能好，貯存時間長，放電電壓平穩(wěn)等鋰離子電池的分類(按形狀分）紐扣形鋰離子電池結(jié)構(gòu)4．軟包鋰離子電池軟包鋰離子電池也稱為聚合物電池，是液態(tài)鋰離子電池套上一層聚合物外殼，外面包裹鋁塑膜的電池。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用了疊加的制造方式，結(jié)構(gòu)如圖鋰離子電池的分類(按形狀分）軟包鋰離子電池4．軟包鋰離子電池鋰離子電池的分類(按形狀分）序號優(yōu)勢說明1安全性能好發(fā)生安全問題時，軟包軟包電池一般會鼓氣裂開，而不像鋼殼或鋁殼電芯那樣發(fā)生爆炸。2重量輕軟包電池重量較同等容量的鋼殼鋰電池輕40%，較鋁殼鋰電池輕20%。3內(nèi)阻小軟包電池的內(nèi)阻較鋰電池小，可以極大的降低電池的自耗電。4循環(huán)性能好軟包電池的循環(huán)壽命更長，100次循環(huán)衰減比鋁殼少4%～7%。5設(shè)計(jì)靈活外形可變?nèi)我庑螤?，可以更薄，可根?jù)客戶的需求定制，開發(fā)新的電芯型號。軟包鋰離子電池的優(yōu)勢鈷酸鋰電池優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、容量比高、綜合性能突出缺點(diǎn)：安全性差、成本非常高錳酸鋰電池優(yōu)點(diǎn)：成本較低、生產(chǎn)工藝簡單、熱穩(wěn)定性好、

耐過充性好、放電電壓平臺高、安全性高缺點(diǎn)：材料本身不太穩(wěn)定，容易分解產(chǎn)生氣體VS鋰離子電池的分類（按正極材料分類）磷酸（亞）鐵鋰電池優(yōu)點(diǎn)：便宜，環(huán)保性能良好，對環(huán)境污染小、穩(wěn)定缺點(diǎn)：最高單體電壓3.4V的，難滿足市場需求鎳鈷錳三元電池優(yōu)點(diǎn)：比容量較高缺點(diǎn)：暫無明顯性缺陷VS鋰離子電池的分類（按正極材料分類）固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低，適于高溫使用。鋰離子電池的分類（按電解質(zhì)材料分類）凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導(dǎo)率，使電池可在常溫下使用。聚合物正極材料的鋰離子電池采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料，其比能量是現(xiàn)有鋰離子電池的3倍，是最新一代的鋰離子電池。鋰離子電池的充放電特性03PARTTHREE涓流充電恒流充電恒壓充電充電終止階段1階段3階段4充電階段2涓流充電用來先對完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充(恢復(fù)性充電)。在電池電壓低于3V左右時采用涓流充電，涓流充電電流是恒流充電電流的1/10即0.1C(單體恒流充電電流為2200mA，涓流充電電流為220mA)。涓流充電恒流充電恒壓充電充電終止階段1階段3階段4充電階段2當(dāng)電池電壓上升到涓流充電閾值以上時，提高充電電流進(jìn)行恒流充電。恒流充電的電流在0.2C至1.0C之間。電池電壓隨著恒流充電過程逐步升高,視電池正極材料設(shè)定此電壓為3.0-4.2V。涓流充電恒流充電恒壓充電充電終止階段1階段3階段4充電階段2當(dāng)電池電壓上升到4.2V時，恒流充電結(jié)束，開始恒壓充電階段。電流根據(jù)電芯的飽和程度，隨著充電過程的繼續(xù)充電電流由最大值慢慢減少，當(dāng)減小到0.01C時，認(rèn)為充電終止。涓流充電恒流充電恒壓充電充電終止階段1階段3階段4充電階段2有兩種充電終止方法：采用最小充電電流判斷或采用定時器或者兩者的結(jié)合。最小電流法監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并在充電電流小于0.02C時終止充電。第二種方法從恒壓充電階段開始時計(jì)時，持續(xù)充電兩個小時后終止充電過程。過充電過充電時過充電時，若在恒流階段發(fā)生，由于電流強(qiáng)度大，電壓、溫升、內(nèi)壓持續(xù)升高，以4V鋰離子動力電池為例，電壓達(dá)到4.5V時，溫升40℃，塑料殼體變硬；電壓達(dá)到4.6V時，溫升可達(dá)60℃，塑料殼體形變明顯并不可恢復(fù)，若繼續(xù)過充，氣閥打開、溫升繼續(xù)升高、不可逆反應(yīng)加劇。不可逆反應(yīng)加劇氣閥打開殼體變形溫度升高放電當(dāng)電池荷電狀態(tài)（SOC）大于20%時，電池恒流放電，當(dāng)電壓下降至2.5V，轉(zhuǎn)入恒壓放電。接近終止電壓時停止放電馬尾下降階段電化學(xué)平衡放電初始，電壓陡然跌落過放電過放電時在放電后期，電壓接近馬尾曲線，動力電池組中動力電池單體容量是正態(tài)分布，電壓分布很復(fù)雜，容量最小的動力電池單體電壓跌落最早、最快，若這時其他動力電池單體電壓降低不是很明顯，小容量動力電池單體電壓跌落情況被掩蓋，將造成小容量動力電池單體被過度放電。

等同報廢

失效速率極快不可恢復(fù)活性材料喪失鋰離子電池的特點(diǎn)04PARTFOUR鋰離子電池比能量目前可達(dá)到120～200W·h/kg，單位質(zhì)量能存儲更多能量，是鎳氫動力電池的1.5倍，為目前常用動力電池中能量密度最高的電池。02比能量高鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)鋰離子電池的平均工作電壓為3.6V，是鎳鎘動力電池和鎳氫動力電池工作電壓的3倍，單位質(zhì)量能釋放更高功率。01比功率高由于使用高電負(fù)性的含金屬元素鋰電極，磷酸鐵鋰離子電池標(biāo)稱電壓為3.20V，錳酸鋰和鈷酸鋰離子電池高達(dá)3.60V，組合使用的動力電池單體數(shù)少。03工作電壓高在非使用狀態(tài)下儲存幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相當(dāng)穩(wěn)定。因?yàn)殇囯x子電池在首次充電過程中會在負(fù)極上形成一層固體電解質(zhì)界面膜，只允許離子通過而不允許電子通過，因此可以較好地防止自放電。04自放電低在正常應(yīng)用過程中，沒有副反應(yīng)發(fā)生，鋰離子電池充放電的庫侖效率可以達(dá)到100%，能量轉(zhuǎn)換效率要高于鎳氫動力電池。05充電效率高鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)磷酸鐵鋰離子電池的循環(huán)壽命正常達(dá)到2000次以上，高的達(dá)到4000次以上，國外研究者已經(jīng)開發(fā)出壽命達(dá)到8000次以上的鋰離子電池。在低放電深度下可達(dá)幾萬次，性能領(lǐng)先。06循環(huán)壽命長鋰離子電池中不使用鎘、鉛及水銀等危害環(huán)境的有害物質(zhì)。雖然根據(jù)鋰離子電池的正極材料不同，有些可能含有鎳、鈷等重金屬物質(zhì)，比如三元電池。然而這些重金屬物質(zhì)的含量很小，所以總體來說，鋰離子電池對環(huán)境的影響是很小的。08對環(huán)境污染小鎳鎘動力電池的記憶效應(yīng)最為嚴(yán)重，鎳氫動力電池存在輕微的記憶效應(yīng)。而鋰離子電池可以隨時充放電而不影響其容量和循環(huán)壽命?？梢愿鶕?jù)要求隨時充電，不會降低鋰離子電池性能。07無記憶效應(yīng)鋰離子電池的缺點(diǎn)1.安全性問題鋰離子電池內(nèi)部采用的為易燃的有機(jī)電解液體系，鋰的活潑性又非常好，仍然存在較大安全隱患。2.低溫性能差鋰離子電池的電解液為有機(jī)體系，使其低溫性能受限。目前還沒有能夠滿足車輛低溫性能的鋰離子電池。3.過放電能力差鋰離子電池在過放電過程中，電極結(jié)構(gòu)被破壞，部分物質(zhì)分解，鋰離子電池性能無法恢復(fù)。4.過充電能力差當(dāng)鋰離子電池的充電電壓超過一定值時，電解質(zhì)等會發(fā)生分解，產(chǎn)生大量熱，鋰離子電池將失效。5.管理系統(tǒng)復(fù)雜必須管理到每個鋰離子電池的單體電池，否則一旦有鋰離子電池單體出現(xiàn)過充電或過放電，就容易造成整個鋰離子電池組失效或安全性問題。不同材料鋰離子電池的特點(diǎn)材料三元鋰磷酸鐵鋰錳酸鋰鈷酸鋰能量密度（W·h/kg）150~200100～110100150~160單體標(biāo)稱電壓（v）3.83.23.73.6循環(huán)壽命（次）20001500～2000600～1000300安全性較差好較好差成本低高最低較高優(yōu)點(diǎn)①比容量高②循環(huán)壽命長③價格低廉①安全性好②循環(huán)壽命長③無毒環(huán)保④循環(huán)性能好①資源豐富②成本低③安全性好④容易制備①工作電壓高②適合大電流放電③比能量高④電導(dǎo)率高缺點(diǎn)①首次充放電效率低②高溫安全性差③電池組體積大①低溫性能差②理論容量不高③室溫電導(dǎo)率低①高溫性能差②循環(huán)性能差①價格昂貴②抗過充電性差③安全性能差④有污染性各種鋰離子電池性能對比表磷酸鐵鋰電池錳酸鋰電池鈷酸鋰電池三元鋰電池理論知識小結(jié)01鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)工作原理理論知識小結(jié)02鋰離子電池的分類按形狀分類按正極材料分類按電解質(zhì)材料分類03鋰離子電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)不同材料鋰離子電池的特點(diǎn)04鋰離子電池的充放電特性充電過充電放電過放電鋰離子電池認(rèn)知鋰離子電池的測量任務(wù)實(shí)施鋰離子電池的測量（二）場地設(shè)備準(zhǔn)備任務(wù)實(shí)施前需要做好場地防護(hù)準(zhǔn)備以及檢查實(shí)訓(xùn)場地和設(shè)備設(shè)施是否及存在安全隱患。一、任務(wù)準(zhǔn)備（1）圓柱形電池正負(fù)極在上下表面，使用游標(biāo)卡尺測量電池高度是注意不要使卡尺觸碰上下面金屬部分，以免造成短路。（2）將單體電池放置在分容柜上，注意選擇正確的倉位以及單體電池正負(fù)極朝向。（3）如遇單體電池正負(fù)極標(biāo)識不清晰，須先使用萬用表測量，以確定正負(fù)極。（4）分容柜不支持串聯(lián)充放電，使用分容柜進(jìn)行充放電時，注意設(shè)置電池保護(hù)參數(shù)。（5）單