锂离子电池基础知识

1、锂离子电池基础知识锂离子电池基础知识 品质部QA组 2 Contents 提要提要 v 锂离子电池的发展、分类 v 锂离子电池的优缺点 v 应用领域 v 工作原理 v 液态锂离子电池的正负极材料和电解液 3 锂离子电池的发展锂离子电池的发展 1980年，M. Armand等人首先提出用嵌锂化合物来代替二次锂电池 中的金属锂负极，并提出“摇椅式电池”（rocking chair battery）的概 念,嵌锂化合物代替二次锂电池中的金属锂负极，电池的安全性大为改善， 并且具有良好的循环寿命，同时电池的充放电效率也得到提高 。 1990年日本Sony公司研制出以石油焦为负极、LiCoO2为正极的锂

2、离 子二次电池 。 Dendrite Li metal 4 v锂离子电池电化学反应机理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。 5 锂离子电池锂离子电池 液态锂离子电池液态锂离子电池 (LIB） 聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池 (LIP) 锂离子电池的分类锂离子电池的分类 液态锂离子电池与聚合物锂离子电池相比： 聚合物锂离子电池中正极和电解质都可使用聚合物材料，通常所说的聚合物锂

3、离子电池是指采用了聚合物电 解质的锂离子电池。这类电池的正、负极活性物质及工作原理与液态锂离子电池基本相同，但采用的不是游 离的电解液，而是固态或者是半固态的聚合物电解质。 6 锂离子电池特点锂离子电池特点 v 高能量密度 v 高工作电压 v 长循环寿命 v 电化学特性稳定 v 荷电保持能力强 v 无污染 v 无记忆效应 7 应用领域应用领域 Li-ion Battery 8 锂离子电池结构锂离子电池结构 v 正极 活性物质（LiCoO2LiMnO2LiNixCo1-xO2) 导电剂、溶剂、粘合剂、基体 v 负极 活性物质（石墨) 粘合剂、溶剂、基体 v 隔膜（PE、PP/PE/PP） v 电

4、解液（LiPF6 + DMC /EC /EMC) v 外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片） 9 锂离子电池结构锂离子电池结构正极正极 正极基体：铝箔 正极物质：钴酸锂+碳黑 +PVDF 正极集流体：铝带 10 锂离子电池结构锂离子电池结构负极负极 负极基体：铜箔 负极物质：石墨 +CMC+SBR 负极集流体：镍带 11 锂离子电池结构锂离子电池结构隔膜隔膜 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 12 锂离子电池结构锂离子电池结构电解液电解液 v 性质： 无色透明液体，具有较强吸湿性

5、。 v 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）。 v 规格： 溶剂组成 DMC:EMC:EC =1:1:1 （重量比） LiPF6浓度 1mol/l v 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 13 液态锂离子电池生产工艺流程液态锂离子电池生产工艺流程 配料 卷绕 注液 检测包装 涂布 制片 化成 激光焊 分容出货 14 配料工艺流程配料工艺流程 泡胶 正极筛浆料 正极混干粉 正极真空搅拌 泡胶 负极真空搅

6、拌 负极搅拌 负极筛浆料 正极拉浆负极拉浆 正极负极 15 拉浆工艺流程拉浆工艺流程 送 带 上 浆 正、负极浆料 正、负极裁片 烘烤 收 带 16 裁片工艺流程裁片工艺流程 正极裁大片 正极压大片 正极裁小片 正极称重分档 正极制片 负极制片 正极焊极耳 负极裁大片 负极压大片 负极裁小片 负极称重分档 负极焊极耳 正极片烘烤负极片烘烤 17 卷绕工艺流程卷绕工艺流程 卷绕 贴底部胶纸 压芯 入壳 正、负极片 配片 隔膜 隔膜裁剪 测短路 套绝缘片并固定 负、正极极耳点焊 离心入壳 测短路 压盖帽 激光焊 底部超声焊 铝镍复合带 18 激光焊工艺流程激光焊工艺流程 上夹具 激光焊接 注液 全

7、检内阻 全检气密性 撕保护膜 19 注液注液-化成工艺流程化成工艺流程 真空烘烤 封口 注液 预处理 化成 清洗 分容 20 检测包装工艺流程检测包装工艺流程 充电 返充电 放电 客户 装盒、包装 全检电压 全检内阻 全检尺寸 21 液态锂离子电池生产所用设备液态锂离子电池生产所用设备 v 真空搅拌机 v 拉浆机（涂布机） v 裁切机 v 辊压机 v 卷绕机 v 激光焊机 v 真空注液机 v 化成检测柜 22 液态锂离子电池性能液态锂离子电池性能 v 常规性能： 容量 电压 内阻 v 可靠性性能： 循环寿命 放电平台 自放电 贮存性能 高低温性能 v 安全性能 过充 短路 针刺 跌落 湿水 低

8、压 振动 23 容量容量 v 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）。 v 电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。 v 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)。 v 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。 v 额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准

9、，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。 24 电压电压 v 开路电压 电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的 正极的还原电极电势与负极电极电势之差。 v 工作电压 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。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。 25 内阻内阻 v 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。 v 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。 v 电池内

10、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。 v 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。 26 循环寿命循环寿命 v 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 v 循环寿命与电池充放电条件有关 v 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。 27 放电平台放电平台 v 锂离子电池完全充电后，放电至3.

11、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 v 行业标准1C放电平台为70%以上 v 放电平台对手机电池使用效果影响最大，关系到手机通话的声音清晰 度 28 自放电自放电 v 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 v 行业标准锂离子电池月自放电率小于8% v 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 29 记忆效应记忆效应 v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。 v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。 v镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应。 30 锂离子电池质量认证锂离子电池质量认证 31 总结总结 v 电池是个比较复杂的电化学体系，涉及到电