电池基础知识着名电池企业培训教材

1、电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池基础知识 电池基础知识着名电池企业培训教 材 内容安排 n电化学常识 n电化学应用 n电池的基础 知识 n锂电池基础 知识 分类 历史 研究内容 基本理论 原电池原理 电池 电池基础知识着名电池企业培训教 材 第一部分第一部分 电化学基础知识电化学基础知识 电池基础知识着名电池企业培训教 材 化学分类 n无机化学 n有机化学 n物理化学 n分析化学 n高分子化学 n核化学 n生物化学 电化学 化学热力学 结构化学 量子化学 化学动力学 光化学 溶液、胶体和表面化学 电池 电解池 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电化学名词1 n电化学研究电现象与化学现

2、象之间内 在联系的学科 n电化学系统电极电解质 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电化学名词2 n电极学电极的平衡性质和通电后的极 化性质，即电极和电解质界面 上的电化学行为 n电解质学电解质的导电性质、离子的 传输性质、参与反应离子的 平衡性质 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电化学起源 n1791年意大利 的伽伐尼发现 以金属片接触 青蛙腿部肌肉 时，有收缩的 现象发生。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 伏打电池 n上述现象1799 年被意大利的伏 打捕捉到并加以 研究，发明了世 界上第一个电池 -伏打电池， 即原电池。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 原电池原理及应用 电池

3、基础知识着名电池企业培训教 材 原电池的原理 n较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金 属（负极）流向较不活泼的金属（正极） n化学能转变为电能的装置 电极电极材料电极反应反应类型得失电子的粒子电子流动方向 负极锌片Zn2e=Zn2+氧化反应Zn原子 Zn片Cu片 正极铜片2H+2e=H2还原反应H+离子 电池基础知识着名电池企业培训教 材 组成原电池的条件 n有两种活动性不同的金属（或一种是非 金属导体）作电极 n电极材料均插入电解质溶液中 n两极相连形成闭合电路 电池基础知识着名电池企业培训教 材 正负极与阴阳极 n阴极：发生还原反应的电极，得电子 n阳极：发生氧化反应的电极，失电子

4、n正极：电势较高的电极 n负极：电势较低的电极 n电池：正极阴极 负极阳极 n电解池：正极阳极 负极阴极 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电流与离子的流向 n当电池中有电流通过时，电解质中的离 子在电场的作用下作定向移动 n阴离子总是移向阳极 n阳离子总是移向阴极 n整个电流在溶液中的传导是由阴、阳离 子的移动共同承担的 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电子流动 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电流 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电化学应用 n化学电源 n金属防腐蚀：大部分金属腐蚀是电化学腐蚀 n机械工业：电镀、电抛光、电泳涂漆 n环境保护：电渗析除去氰、铬离子等污染物 n电

5、解、电冶炼工业 n生命科学：如肌肉运动、神经的信息传递都涉 及到电化学机理 电池基础知识着名电池企业培训教 材 第二部分第二部分 电池的基本知识电池的基本知识 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池分类依据 n电解质种类 n电池所用正负极材料 n工作特性和储存方式 电池基础知识着名电池企业培训教 材 以电解质种类分类： n碱性电池电解质以KOH溶液為主，如碱性 锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性 电池）、镍镉电池和镍氢电池等 n酸性电池电解质以硫酸水溶液为主，如铅 酸电池 n中性電池电解质为盐溶液，如锌锰电池和 海水电池 n有机电解质电池电解质为有机溶液，如锂 电池、锂离子电池 电池基础知识着名电

6、池企业培训教 材 以电池所用正负极材料分类： n锌系列电池锌锰电池和锌银电池等 n镍系列電池镍镉电池和镍氢电池等 n铅系列電池铅酸电池等 n锂系列電池锂离子电池和锂锰电池等 n二氧化锰系列電池锌锰电池和碱锰电池 n空气（氧气）系列電池锌空气电池 电池基础知识着名电池企业培训教 材 以工作特性和储存方式分类： n一次电池又称原电池，即不能再次充电的电池，如 锌锰电池和锂电池等 n二次电池又称蓄电池，即可充电电池，如铅酸电池、 镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等 n燃料電池正、负极本身不包含活性物质，活性材料 连续不断从外部加入的电池 n储备电池电池储备时不直接接触电解质，直到电池 使用时，才加入电

7、解液，如镁氯化银（海水电池）。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 一次电池： n锌锰电池：Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2(C) n碱性锌锰电池：Zn|KOH,K2Zn(OH)4|MnO2(C) n锌银电池：Zn|KOH|Ag2O n锂锰电池：Li|LiClO4(PC,DME)|MnO2(C) n锌空气电池: Zn(Hg)|NH4Cl,ZnO|O2(C) 电池基础知识着名电池企业培训教 材 二次电池 蓄电池（二次电池）：电极反应可逆 n 特点：可循环使用 n 例：铅酸电池 Pb H2SO4 PbO2 n镉镍电池 Cd KOH NiOOH n铁镍电池 Fe KOH NiOOH n氢化物镍

8、电池 MH/ KOH NiOOH 电池基础知识着名电池企业培训教 材 四种主要的二次电池 电池基础知识着名电池企业培训教 材 镍镉、镍氢、锂离子电池性能对比 n技术参数 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 n工作电压（V） 1.2 1.2 3.6 n重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140 n体积比能量(Wh/l) 150 200 300 n充放电寿命(次) 500 500 1000 n自放电率（%/月） 25-30 30-35 6-9 n有无记忆效应 有 有 无 n有无污染 有 无 无 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池组成1 1）电极：电池的核心部分，由活性物质添加剂和 导电

9、骨架组成 n活性物质要求： n比容量高； n电化学活性高； n在电解液中化学稳定性好； n导电骨架要求： n集流性能好，分布均匀，柔软性好 电池基础知识着名电池企业培训教 材 集电体 电池基础知识着名电池企业培训教 材 活性物质 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池组成2 n2）电解质：主要组成之一，传 递正、负极之间电荷 n稳定性强； n比电导高，欧姆压降小； n化学稳定性高。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电解液 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池组成3 n3）隔膜：正、负电极之间，避免正、 负极活性物质直接接触 n在电解液中稳定性好； n电子缘绝体，离子导体； n常用PP

10、、尼龙； n强度高，透气性好，耐氧化能力强, 耐高、低温能力强 电池基础知识着名电池企业培训教 材 隔膜 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池组成4 n4）外壳（case）： n要求：机械强度、耐振动、耐 冲击、能耐高、低温变化和电 解液的腐蚀。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池原理 n例：镉镍电池工作原理 化学能 电能 n成流反应 n2NiOOH + Cd + 2H2O 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 n NiOOH + 2H2O + e- Ni(OH)2 + OH- nCd + 2OH- 2e- Cd(OH)2 电池基础知识着名电池企业培训教 材 充电 电池基础知识着名电

11、池企业培训教 材 放电 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池基本概念1 n短路：电流不经负载而由电源一端直接回到 另一端，导致电路中电流猛烈加大，这就叫 短路。 n断路：电路中电流不通叫断路。 n电流强度：单位时间内通过导体某一截面， 电荷量的代数和，常用字母“A”表示。 n电压：水要有水位差才能流动，同样的，要 使电荷作有规则的移动，必须在电路两端有 一个电势差，这个电势差叫电压。常用字母 “V”表示。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池基本概念2 n电流：在电场力的作用下，自由电子或离子 所发生的有规则地运动称为电流。 n电阻：电子在物体内移动所遇到的阻力叫电 阻。电阻单位是欧姆

12、，常用字母“”表示。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池的性能1 1、电动势：两电极电势之差（平衡电 极电法） 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池的性能2 2、内阻：R=R + Rf 电池的内阻：是指电池在工作时，电流流过电 池内部所受到的阻力。 nR：电极材料、电解液、隔膜及各部分零 件的接触内阻； nRf ：正、负极活性物质进行电化学反应时 所引起的内阻，包括电化学极化和浓差极 化所引起的电阻之和； nRf与活性物质本身、电极结构、制造工艺、 电池工作条件等因素相关。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池性能3 3、开路电压、工作电压1 n开路电压：是指电池在非工作状态下，

13、即电路 中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。 n工作电压：又称端电压，是指电池的工作状态 下，即电路中有电流，流过时电池正负极之间 的电势差。 V = V开 IR 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池性能3 3、开路电压、工作电压 n终点电压：电池在放电过程中，电压下降到不 宜再继续放电的工作电压为终点电压。 如再继续使电池放电则称之为过放。过放对 电池性能会产生破坏性影响，是导致电池零电 压及综合性能下降的主要原因，在电池的检测 和使用过程中，应尽量避免过放。 n 中点电压：是指电池以一定的倍率放电至终点 电压的时间之中点的电池电压。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 开路电压 电

14、池基础知识着名电池企业培训教 材 标称电压 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池电压 电池基础知识着名电池企业培训教 材 放电终止电压 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池性能4 4、容量、比容量： n理论容量(Co)（活性物质100%利用）： nCo=26.8n=1/kmo（Ah） nmo为活性物质的质量；M为活性物质分子量；n为 成流反应得失电子数；26.8为常数1克当量活性物 质反应时所放出电量； n实际容量（C）：C=0TIdT n恒流：IT n恒阻：0TVdT n额定容量（C额）：设计和制造电池时，规定或保 证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的 容量。 电池基础知识着名

15、电池企业培训教 材 容量 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池能量 电池基础知识着名电池企业培训教 材 放电深度 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池性能5 5、能量,比能量： n理论能量（a、活性物质100%利用；b、 电极反应处于平衡状态）： n Wo = CoE n实际能量： W = 0TIVdT n比能量： 体积比能量： W体 = （Wh/L） 重量比能量： W重 = （Wh/l） 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池性能6 6、贮存性能和循环寿命： n贮存性能：（自放电） 电池的贮存性能是衡量电池综合性能稳定程 度的一个重要参数，电池经过一定时间的贮存后， 允许电池的容量

16、及内阻有一定程度的变化。电池 自放电与活性物质本身、电极结构、制造工艺、 电池工作条件等因素相关。 n 循环寿命： 充、放电循环的数目。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池性能7 n7、充放电效率和充放电倍率 充电效率：指电池在充电过程中所消耗的电能转 化成电池所能储存的化学能程序的量度。 放电效率：指电池在一定的放电条件下放电至终 点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比。 充放电倍率：是指电池在规定的时间内放出其额 定容量时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定 容量的倍数，通常的字母是用C表示。 时率：又称小时率：是指电池以一定的电流放完 其额定容量所需要的小时数。 电池基础知识

17、着名电池企业培训教 材 电池性能8 8、内压 内压：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。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 第三部分第三部分 锂离子电池基本知识锂离子电池基本知识 电池基础知识着名电池企业培训教 材 锂离子电池结构 锂离子聚合物电池方形锂离子电池 电池基础知识着名电池企业培训教 材 三种锂电池结构比较 软包装锂离子电池硬包装锂离子电池锂聚合物电池 外 壳铝塑复合膜外壳铝壳或钢壳方型和钢 壳圆柱型 铝塑复合膜外 壳 电 芯卷绕式电芯卷绕式电芯叠片式或卷绕 式电芯 电解质含锂盐的液态电解质含锂盐的液态电解质

18、含锂盐的凝胶 态电解质 特 点轻巧，电池尺寸可根 据实际应用需要灵活 改变，厚度可薄至 1.0mm以下，长度可 达到100mm以上 电池较重；在制造薄 型大面积电池方面受 到限制 轻巧，电池尺 寸可根据实际 应用需要灵活 改变，厚度可 薄至1.0mm以下， 长度可达到 100mm以上 电池基础知识着名电池企业培训教 材 性能比较 软包装锂离子电池硬包装锂离子电池锂聚合物电池 体积能量密度优良差 重量能量密度优良良 大电流放电性能优优良 低温放电性能优优差 安全性能良差优 注：优、良、差的比较是相对该三种电池而言，不涉及其它种类电池 电池基础知识着名电池企业培训教 材 锂离子电池的特点 锂离子蓄

19、电池的一般特性： 1、体积及质量的能量密度高；其能量密度大于 300Wh/L，比能量达110120Wh/kg， 分别是Ni/Cd、 Ni/MeH电池的25和15倍 2、寿命长（大于1200次充、放电）， 3、单电池的输出电压高，为4.2 V； 3、自放电率小，可实现快速充放电，也可做成大容 量的电池组。 4、在60左右的高温下也可以使用； 5、无记忆效应 6、不含有毒物质等。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 锂离子电池的性能 锂离子电池与其它二次电池性能比较 性能 阶段Li-IonNi/CdNi/MH 电池 能量密度现在240260134155190197 (Wh/L)将来40024028

20、0 比能量(Wh/kg) 现在10011449605970 将来1507080 平均电压（V）3.61.21.2 电压范围（V）4.23.51.41.01.41.0 使用寿命现在5001200500500 （次）将来150010001000 优点 高电压，高比能，自放 电小，污染小 高功率，快充，成本低 高功率，高比 能，污染小 缺点成本高记忆效应，Cd污染 成本高，自放 电大 电池基础知识着名电池企业培训教 材 锂离子电池的市场1 全世界锂离子电池应用分析全世界锂离子电池应用分析 (单位：百万颗) 应用别1997199819992000200120022003 所占比例 (%) 笔记型计 算

21、机 74.8105.9155.1191.8241.4296.1367.447.7 数字调制 解调器 0.91.82.85.28.81116.92.2 行动电话93.7124.4167.9143.1188.9238285.637.1 摄录像机1822.327.235.444.253.655.17.2 数字式相 机 0.71.61.72.93.54.250.7 迷你光驱3.65.78.613.417.32227.43.6 掌上型终 端机 3.34.867.78.611.212.51.6 合计195266.5369.3399.5512.7636.1769.9100 电池基础知识着名电池企业培训教 材

22、 锂离子电池的市场2 全世界小型二次电池长期需求量全世界小型二次电池长期需求量 年代1997199819992000200120032005 镍镉电池 (亿颗) 1098.27.67.26.86.6 镍氢电池 (亿颗) 6.16.46.56.56.66.66.7 锂离子电 池(亿颗) 1.92.63.745.17.79.7 锂离子电 池占有率 (%) 11152022273642 电池基础知识着名电池企业培训教 材 BYD的电池的市场 Li-ion Ni-CdNi-MH 2002 SANYO SONY BYD PANASONIC SAMSUNG GS TOSHIBA 2002 SANYO PA

23、NASONIC BYD GPI YUASA SAFT 2002 BYD SANYO PANASONIC SAFT GPI 2001 SANYO SONY PANASONIC BYD GS TOSHIBA SAMSUNG 2001 SANYO PANASONIC BYD MAXELL GPI YUASA SAFT 2001 SANYO BYD PANASONIC SAFT GPI 电池基础知识着名电池企业培训教 材 全球锂离子电池生产厂商及客户： 0 01 12 23 34 45 56 67 7 S Sa an ny yo o B BY YD D G GS S MMT T A AT T B B

24、MM B BI I S S a am ms su un ng g S SD DI I MMa ax xe el ll l L L G G C Ch he em m S S o on ny y N NE EC C T To ok ki in n O Ot th he er rs s L LI IB B/ /L L I IP P p pa ac ck k a an nd d c ce el ll l s sh hi ip pm me en nt t v vo ol lu um me e( (MM c ce el ll ls s/ /MM ) ) N No ok ki ia a M Mo ot to

25、 or ro ol la a S Sa am ms su un ng g S So on ny y E Er ri i c cs ss so on n L LG GE E S Si ie em me en ns s K KW WC C B Bi ir rd d P Ph hi il li ip ps s N NE EC C M MC CI I S Sh ha ar rp p O Ot th he er rs s 电池基础知识着名电池企业培训教 材 原理1： 锂离子二次电池的正负极都是插入化合物，以 LiyMnYm表示负极材料，LizAvBw表示正极材料， 则反应式可表示为： 负极：LiyMnY

26、m+xLi+xe- =Lix+yMnYm 正极：LizAvBw=Liz-xAvBw+xLi+xe- 总反应： LiyMnYm+LizAvBw=Lix+yMnYm+Liz- xAvBw 电池基础知识着名电池企业培训教 材 原理2 锂离子二次电池反应的实质为一个Li+浓差电池：充 电时，Li+从正极化合物中脱出并嵌入负极晶格，正极 处于贫锂态；放电时，Li+从负极脱出并插入正极，正 极为富锂态。为保持电荷的平衡，充、放电过程中应有 相同数量的电子经外电路传递，与Li+一起在正负极间 迁移、使正负极发生氧化还原反应，保持一定的电位。 工作电位与构成电极的插入化合物的化学性质、Li+的 浓度有关。这种

27、充、放电过程似一把摇椅，故锂离子二 次电池又称摇椅电池（Rocking Chair Batteries,简称为 RCB）。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 原理3 锂离子电池的电化学反应原理及特性：锂离子电池的电化学反应原理及特性： 充电时：Li+从正极逸出，嵌入负极 放电时Li+则从负极脱出，嵌入正极。 以LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料的锂离 子电池，充放电反应式为： 电池基础知识着名电池企业培训教 材 工作原理图工作原理图 充充 电电 放放 电电 电池基础知识着名电池企业培训教 材 第四部分第四部分 锂离子电池主要原材料锂离子电池主要原材料 电池基础知识着名电池企业培训教 材

28、正极材料 锂离子电池常用的正极材料： 1、锂钴氧化物LiCoO2 2、锂镍氧化物LiNiO2 3、锂锰氧化物LiMn2O4 4 、其它正极材料：纳米正极材料 ，共混电极， 钒氧化 物 ，其他层状化合物 我们采用是： LiCoO2 电池基础知识着名电池企业培训教 材 负极材料 锂离子电池常有的负极材料： 1、石墨和改性石墨 2、高度石墨化碳 3、不含氢无序碳 4、含氢无序碳 我们生产中采用的是：石墨和改性石墨 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电解液 锂离子电池常用的电解液为： 目前锂离子二次电池主要使用的锂盐有： LiClO4、LiAsF 6、LiPF6等，一般将它们溶解于非 质子性的有机溶

29、剂中，如PC（碳酸丙烯酯）、 EC （碳酸乙烯酯)、 DMC (碳酸二甲酯)、THF (四氢 呋喃)、 DME（乙二醇二甲醚）等，为了改善性能 常采用混合有机溶剂。 我们生产采用的是： LiPF 6溶于DMC中 电池基础知识着名电池企业培训教 材 隔膜纸 锂离子电池常用的隔膜材料为： 1、PP（聚丙烯微孔膜） 2、PE（聚乙烯微孔膜） 3、PP/PE/PP（ 聚丙烯聚乙烯微孔膜） 我们生产采用的是：PP和PE纸 电池基础知识着名电池企业培训教 材 第五部分第五部分 锂离子电池生产流程锂离子电池生产流程 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池生产流程 1、配料 将活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂

30、按照一定的比 例均匀的混合在一起，配制成溶浆料的过程。 2、拉浆 通过设备将配置好的浆料均匀的粘附在集流体上的 过程。 3、制片 将拉浆制成的大片采用不同的设备制成满足工艺要 求的卷绕的极片的过程。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池生产流程 4、卷绕 将极片、隔膜纸按照一定的层次，通过设备卷绕在一 起并放入电池外壳内的过程 5、焊接 通过设备将电池的盖板和壳体焊接在一起的过程， 6 、 注液 将电解液注入电池壳体的过程 电池基础知识着名电池企业培训教 材 电池生产流程 7、化成 电池制造后，通过一定的充放电方式将内部正负极 活性物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、贮存等 综合性能的

31、过程称为化成。 注：电池经过化成后才能体现其真实性能。 8、封口 通过一定的方法将注液孔密封起来的过程。 9、分容： 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 按容量分容的过程称为分容。 电池基础知识着名电池企业培训教 材 第六部分第六部分 锂离子电池的性能 电池基础知识着名电池企业培训教 材 容量 对锂离子电池容量影响的因素有： 正极活性物质的含量（负极活性物质的含量）； 电解液的组成与配比和活性物质的匹配性； SEI膜的形成情况； H2O的含量； 电池基础知识着名电池企业培训教 材 循环寿命 电池寿命是评价电池优劣的一个重要指标，一般以电 池容量降低到某一特定值的充、放电循环次数来度量。影 响因素有： 1、电极材料；可逆性好，充、放电循环中结构变化 小的电极材料可使电池的寿命长 2、电解质种类及配比、锂盐的选择和溶剂的配比可 影响SEI膜的质量， 凡可提高SEI膜的质量者则又利于延 长电池寿命；若在初次充电中电压未达到Li+ 的嵌入电压 之前SEI膜就已形成，则电极的稳定性就提高； 电池基础知识着名电池企业培训教 材 循环寿命 3、充放电速率；加入添加剂、 低速率放电利于延长 电池寿命； 4、放电深度；放电太深可使负极达到锂的析出电位， 发生锂沉积， 这时正极中的Li+向电解液中逸出，形成死 锂。