《锂离子动力电池基本知识》.ppt

锂离子动力电池基本知识 主讲： 时间： 地点： 1 大纲 l电池分类 l电池术语与及使用基本常识 l磷酸铁锂动力电池之结构 l磷酸铁锂动力电池之应用领域 l磷酸铁锂动力电池之工艺流程 l磷酸铁锂动力电池之生产设备 l锂离子电池之性能指标 2 电池种类划分 l一次电池 l小型二次电池：镍镉、镍氢、锂离子 l铅酸电池 l动力电池 l燃料电池 l太阳能电池-地面光伏发电 l其他新型电池 3 电池术语与及使用基本常识 4 容量 l电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的 容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简 称安时（Ah）或毫安时（mAh）。 l电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容 量。 l理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而 得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用 比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给 出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或 Ah/L(mAh/cm3)。 l实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。 它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为 Ah， 其值小于理论容量。 l额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布 的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的 最低限度的容量。 5 内阻 l电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低 ，此阻力称为电池的内阻。 l电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变 化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在 不断地改变。 l电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包 括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放 电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时 端电压高于电动势和开路电压。 l欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加 而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增 大而线性增大。 6 负载能力 l当电池的正负极两端连接在用电器上 时，带动用电器工作时的输出功率， 即为电池的负载能力。 7 内压 l指电池的内部气压，是密封电池在充 放电过程中产生的气体所致，主要受 电池材料、制造工艺、电池结构等因 素影响。其产生原因主要是由于电池 内部水分及有机溶液分解产生的气体 于电池内聚集所致 。 8 充电率(C-rate) lC是Capacity的第一个字母，用来表示 电池充放电时电流的大小数值。 l例如：充电电池的额定容量为 1100mAh时，即表示以1100mAh(1C) 放电时间可持续1小时，如以 200mA(0.2C)放电时间可持续5小时， 充电也可按此对照计算。 9 终止电压(Cut-off discharge voltage) l指电池放电时，电压下降到电池不宜 再继续放电的最低工作电压值。 l根据不同的电池类型及不同的放电条 件，对电池的容量和寿命的要求也不 同，因此规定的电池放电的终止电压 也不相同。 10 开路电压(Open circuit voltage OCV) l电池不放电时，电池两极之间的电位 差被称为开路电压。 l电池的开路电压，会依电池正、负极 与电解液的材料而异，如果电池正、 负极的材料完全一样，那么不管电池 的体积有多大，几何结构如何变化， 其开路电压都一样的。 11 工作电压 l工作电压指电池接通负载后在放电过 程中显示的电压，又称放电电压。在 电池放电初始的工作电压称为初始电 压。 l电池在接通负载后，由于欧姆电阻和 极化过电位的存在，电池的工作电压 低于开路电压。 12 放电深度(Depth of discharge DOD) l在电池使用过程中，电池放出的容量 占其额定容量的百分比，称为放电深 度。 l放电深度的高低和二次电池的充电寿 命有很深的关系，当二次电池的放电 深度越深，其充电寿命就越短，因此 在使用时应尽量避免深度放电。 13 过放电(Over discharge) l电池若是在放电过程中，超过电池放 电的终止电压值，还继续放电时就可 能会造成电池内压升高，正、负极活 性物质的可逆性遭到损坏，使电池的 容量产生明显减少。 14 过充电(Over charge) l电池在充电时，在达到充满状态后， 若还继续充电，可能导致电池内压升 高、电池变形、漏夜等情况发生，电 池的性能也会显著降低和损坏。 15 能量密度(Energy density) l电池的平均单位体积或质量所释放出 的电能。 l一般在相同体积下，锂离子电池的能 量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电 池的1.8倍，因此在电池容量相等的情 况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢 电池的体积更小，重量更轻。 16 自我放电(Self discharge) l电池不管在有无被使用的状态下，由 于各种原因，都会引起其电量损失的 现象。 l电池完全充电后，放置一个月。然后 用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电 池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电 池之月自放电率 l行业标准锂离子电池月自放电率小于 12% l电池自放电与电池的放置性能有关， 其大小和电池内阻结构和材料性能有 关 17 放电平台 l锂离子电池完全充电后，放电至3.6V 时的容量记为C1，放电至3.0V时的容 量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平 台 l行业标准1C放电平台为70%以上 18 放电倍率 l电池放电电流的大小常用“放电倍率“表示， 即电池的放电倍率用放电时间表示或者说以 一定的放电电流放完额定容量所需的小时数 来表示，由此可见，放电倍率表示的放电时 间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大 。（放电倍率=额定容量/放电电流） l根据放电倍率的大小，可分为低倍率（ 7.0C） l如：某电池的额定容量为20Ah，若用4A电 流放电，则放完20Ah的额定容量需用5h， 也就是说以5倍率放电，用符号C/5或0.2C表 示，为低倍率。 19 充电循环寿命(Cycle life) l电池在完全充电后完全放电，循环进 行，直到容量衰减为初始容量的75% ，此时循环次数即为该电池之循环寿 命 l循环寿命与电池充放电条件有关 l锂离子电池室温下1C充放电循环寿命 可达300-500次（行业标准），最高可 达800-1000次。 20 记忆效应(Memory effect) l记忆效应是针对镍镉电池而言的，由于传统工艺中 负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们 被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块 而使电池放电时形成次级放电平台。电池会储存这 一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点， 尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台 上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量 。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都 将加深这一效应，使电池的容量变得更低。 l要消除这种效应，有两种方法，一是采用小电流深 度放电（如用0.1C放至0V）一是采用大电流充放电 （如1C）几次。 l镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应 21 化成 l电池制造后，通过一定的充放电方式 将其内部正负极物质激活，改善电池 的充放电性能及自放电、储存等综合 性能的过程称为化成，电池只有经过 化成后才能体现真实性能。 22 分容 l电池在制造过程中，因工艺原因使得 电池的实际容量不可能完全一致，通 过一定的充放电制度检测，并将电池 按容量分类的过程称为分容 23 电池充电方式介绍 l快速充电：充电电流大于0.2C，小于0.8C则是快速充电。 l慢速充电：充电电流在0.1C-0.2C之间时，我们称为慢速充 电。 l涓流充电：充电电流小于0.1C时，我们称为涓流充电。 l超高速充电：充电电流大于0.8C时，我们称之为超高速充 电。 l恒流充电方式：恒流充电法是保持充电电流强度不变的充 电。方法，恒流充电器通常使用慢速充电电流。 l快速自动充电方式：通常所使用的是余弦法充电，也就是 说并非用恒定的大电流充电，而是像余弦波那样电流强度 随之变化，这样能缓解热量的积聚，从而将温度控制在一 定范围内。 l脉冲式充电法：脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充 电，然后让电池停充一段时间，如此循环。 24 如何计算充电时间 l充电时间(小时)=充电电池容量 (mAh)/充电电流(mA)*1.5的系数 l假如你用1600mAh的充电电池，充 电器用400mA的电流充电，则充电 时间为:1600/400*1.5=6小时 25 锂离子电池保护线路过充电保 护 l过充电保护: 过充电保护 IC 的原理 为：当外部充电器对锂电池充电时 ，为防止因温度上升所导致的内压 上升，需终止充电状态。此时，保 护 IC 需检测电池电压，当到达 4.25V 时（假设电池过充点为 4.25V ）即启动过度充电保护，将功率 MOS 由开转为切断，进而截止充电 。 26 锂离子电池保护线路过放电保 护 l过放电保护: 过放电保护 IC 原理：为了 防止锂电池的过放电，假设锂电池接上 负载，当锂电池电压低于其过放电电压 检测点（假定为 2.5V）时将启动过放电 保护，使功率 MOSFET 由开转变为切断 而截止放电，以避免电池过放电现象产 生，并将电池保持在低静态电流的待机 模式，此时的电流仅 0.1uA。 当锂电池 接上充电器，且此时锂电池电压高于过 度放电电压时，过度放电保护功能方可 解除。另外，考虑到脉冲放电的情况， 过放电检测电路设有延迟时间以避免产 生误 27 什么叫锂离子电池？ l锂离子电池是指Li+ 嵌入化合物为正、负极的二次电池。 l正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2 、 LiXMnO2 或LiFeO4 l负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。 l电解质为溶解有锂盐LiPF6 、 LiAsF6等有机溶液。 l在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形 象的称为“摇椅电池”。 充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于 富锂状态。 放电时则相反。 28 锂离子电池电化学反应机理 正极反应：LiCoO2= Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 负极反应： C + xLi+ + xe- = CLix 电池总反应： LiCoO2 + C = Li1 -xCoO2 + CLix 放电时发生上述反应的 逆反应。 29 锂离子电池结构 l正极 活性物质（LiCoO2LiMnO2LiNixCo1-xO2LiFeO4) 导电剂、溶剂、粘合剂、基体 l负极 活性物质（石墨、MCMB) 粘合剂、溶剂、基体 l隔膜（PP+PE） l电解液（LiPF6 + DMC EC EMC) l外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片） 30 圆柱形锂离子电池结构图 密封圈 限流开 关 隔膜 绝缘垫 正极极 耳 负极极 耳 正极 负极 圆柱型 31 锂离子电池结构正极 正极基体：铝箔（约0.020mm厚) 正极物质：钴酸锂+碳黑+PVDF 正极集流体：铝带（约0.1mm厚） 32 锂离子电池结构负极 负极基体：铜箔（约0.015mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR 负极集流体：镍带（约0.07mm厚） 33 锂离子电池结构隔膜 l材质：单层PE（聚乙烯）或者 三层复合PP（聚丙烯） +PE+PP l厚度：单层一般为0.0160.020mm 三层一般为0.0200.025mm 34 锂离子电池结构电解液 l性质： 无色透明液体，具有较强吸湿性。 l应用： 主要用于可充电锂离子电池的电解液， 只能在干燥环境下使用操作（如环境水 分小于20ppm的手套箱内）。 l规格： 溶剂组成 DMC:EMC:EC =1:1:1 （重量比 ） LiPF6浓度 1mol/l l质量指标： 密度（25）g/cm3 1.230.03 水分（卡尔费休法） 20ppm 游离酸（以HF计） 50ppm 电导率（25） 10.40.5 mscm 35 以磷酸铁锂为正级材料的动力电池 特点 l循环寿命长：循环寿命高达 2,000 次以上，为铅酸的 5倍、 镍镉的4倍以上。 l放电功率大：放电功率分别为铅酸、镍氢电池的 6.6、2.5 倍，极适用在需要高功率的工具电池，大型动力电池，特 别是车用电池部分。 l充电时间短：充电时间不到 2 小时，仅需铅酸电池的1/4、 镍镉的1/2。 l转换效率佳：转换效率达95%，优于铅酸的60 %、镍镉的 70%。 l轻薄短小：体积重量仅为铅酸的50%，镍镉的70%。 l无污染，不含任何对人体有害的重金属元素； 36 磷酸铁锂动力电池的应用领域 l电动工具类 ：高功率电动工具（无线） ；电 锤、电钻、除草机等； l电动自行车(Ebike)市场 l电动玩具市场 l太阳能 LED路灯储能市场 l小型设备 医疗设备：电动轮椅车，电动代步车 l固定型电源：主要用于通讯、移动基站、电信 、铁路运输、电力、金融、发电厂、计算机 系统作为保护、自动控制的备用电源 l其它小型电器 ：矿灯、替代铅酸,镍氢,镍镉,锂 钴,锂锰类电池在小型电器上的应用(2009镍镉 将全面退出市场) 37 圆柱型磷酸铁锂动力组合电池 8串4并 成品组合电池 38 液态锂离子电池生产工艺流程 配料 卷绕 注液 检测包装 拉浆制片 化成 激光焊 裁片 39 配料工艺流程 正极干粉处理 正极筛浆料 正极混干粉 正极真空搅拌 负极干粉处理 负极真空搅拌 负极筛粉 负极搅拌 负极筛浆料 正极拉浆 负极拉浆 正极负极 40 拉浆工艺流程 送 带 上 浆 正、负极浆料 正、负极裁片 烘烤 收 带 41 裁片工艺流程 正极裁大片 正极划线刮粉 正极片辊切 负极裁大片 负极称重分档 负极划线刮粉 负极片辊切正极称重分档 负极吸尘 正极制片 负极制片 42 制片工艺流程