锂动力电池简述

1、锂动力电池简述制作人：制作人： 刘志民刘志民日期：日期： 2011.2.14电池定义及分类n定义：1.原电池：将化学能转换成电能的装置2.电解池：在外加电源作用下，将电能转换成化学能的装置。n电池的分类： 一次电池 二次电池1.氧化银锌电池2.碳性电池3.锌锰干/碱性电池4.锂电池等1.铅酸电池2.镍镉/镍氢电池3.锂离子电池4.燃料电池等二次电池的种类介绍n从二次电池的发展与应用来讲，锂离子电池将取代传统的铅酸电池和镍氢电池成为新一代电池。n二次电池的种类：a.铅酸电池 e.太阳能电池（硅型） b.镍铬/氢电池 f.金属空气电池c.锂离子电池 （铝空气/锌空气电池）d.燃料电池二次电池特性比

2、较电池种类 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池工作电压 2V 1.2V 1.2V 3V3.7V内阻 较低 较低 较低 较高重量能量密度40WH/KG 60WH/KG 110WH/KG 160WH/KG 体积能量密度 300WH/L 340WH/L 440WH/L记忆效应 有 有 有 无自放电率 3% 25% 20% 小于5%环境污染 含铅 含镍镉 无污染 无污染使用寿命 200350次 500次 500次 5002000次锂离子电池的认识n锂离子电池的由来 Li-ion是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。锂电池的正极材料是碳材或是氧化锰。负极材料是金属锂。按照大家

3、习惯上的命名规律，我们称这种电池为锂电池。 Li-ion的正极材料是氧化锂钴或是LFP等，负极材料是碳材。电池通过正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程，所以人们称之为Li-ion。锂离子电池的认识n锂离子电池的组成外形：圆柱形、方形、角形等。架构：正极、负极、隔膜、电解液。原理：锂离子电池实质上是一种锂离子浓度差电池，在充电过程中Li+从正极经过隔膜嵌入负极（C6），电子则从外电路补偿到负极，负极电位从而保持平衡，放电时正好相反。锂离子电池的认识nCell Bar Code的识别例如：型号为BAK H18650CB的电池 Bar Code分为两个部分即Part one

4、：H18650CB VB0A07B 000001 Part two：BAK A13 。Part one组成为：电池型号+电芯批号+电芯顺序码。这里着重解释一下电芯批号，电芯批号组成为：LLNLNNL（N代表数字，L代表字母）具体表示如下锂离子电池的认识 LLNLNNL产产品品代代码码排排产产年年份份例如：例如：0代表代表2010 1代表代表2011排排产产月月份份例如：例如：A代表代表1月月B代表代表2月月.L代代表表12月月排排产产日日期期例如：例如：07代表代表7日日圆圆柱柱线线别别例如：例如：A代表代表生产线别生产线别A，B代表线别代表线别B锂离子电池的认识Part Two：公司代码+等

5、级码例如： BAK + A13Cell Date Code 识别 例如型号为SDI 18650 2.2Ah的电池喷码除了标有型号ICR18650,厂商SDI，容量22F，还标有1A42，其中1为Cell的容量代码，A42为date code，分别为cell生产的年份、月份、周别。锂离子电池的认识n锂离子电池参数参数开路电压：即电池在非工作状态下正、负极的电势差。内阻：电池在工作时电流流过电池内部所受到的阻力。容量容量：分为额定容量和实际容量，电池的额定容量是指电池在环境温度为205条件下，以5h率放电至终止电压时所应提供的电量，用C5表示。锂离子电池的认识 电池的实际容量是指电池在一定的放电条

6、件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。影响电池容量的因素主要有两个方面：一是活性物质的重量；二是活性物质的利用率。电池内压 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。其产生原因主要是由于电池内部水分及有机溶剂分解产生的气体于电池内聚集所致。锂离子电池的认识n不同正极材料的锂离子电池特性比较种类种类 钴酸锂钴酸锂 锂镍钴锰锂镍钴锰 锰酸锂锰酸锂 磷酸铁锂磷酸铁锂振实密度（g/cm3）2.83.02.02.32.22.40.81.4比容量（mAh/g）14014515516510011

7、5130140电压平台（v）3.63.63.73.2循环性能500次500次1000次2000次过度金属贫乏贫乏丰富十分丰富安全性能差 较好 好 非常好原料成本很高高低廉低廉环保含钴含镍、钴无毒无毒锂动力电池简介n动力电池的正、负极材料动力电池的正、负极材料正极材料：A.磷酸铁锂、磷酸钒锂B.锰酸锂等C.磷酸亚铁锰锂等负极材料：1.石墨、焦炭2.硅3.钛酸锂锂动力电池简介n锂动力电池关键特性日本政府对汽车动力锂电池的要求如下：l2015年以前I.性能提高到现在的1.5倍II.成本降低到现在的1/7l2030年以前性能提高到现在的7倍成本降低到现在的1/40锂动力电池简介n关键性能突破l安全性

8、LiFePO4，改进安全阀l能量密度 Si负极材料、高强度隔 膜，聚合物包装，提高 1.5倍有可能实现 l使用寿命 目前是2000次，提高1.5倍到3000次有可能实现 从PACK角度看锂动力电池参数n在电池组装成PACK时要考虑的参数有：客户给出的PACK规格Cell的开路电压Cell的容量Cell的内阻从PACK角度看锂动力电池参数lCell的开路电压一致性1.前面已经提到过Cell的开路电压即为电池内部无电流通过时电池两端的电势差。2.在串联电池组中开路电压的一致性对电池组的安全性有至关重要的影响，即容易产生过压充电和欠压放电的问题。电压差异越大，安全问题越严重。从PACK角度看锂动力电

9、池参数lCell容量的一致性1.这里所说的容量指的是电池的实际容量。2.在串联或者混联电池组中容量的不一致也是严重的安全隐患。从PACK角度看锂动力电池参数lCell内阻一致性1.Cell内阻分为极化内阻和欧姆内阻。2.串联电池组中Cell内阻不一致会引起安全问题，内阻差异越大，安全问题越严重。从PACK角度看锂动力电池参数l客户给定PACK参数1.客户给定PACK参数通常有PACK的尺寸、额定电压、额定功率、额定容量等，我们会计算出PACK所需的空间、电芯间隙、最大放电电流、最大脉冲放电电流等从而选取适合的电芯。2.额定电压是指电池的标准工作电压平台电压平台。 额定容量在前面已经说过其定义。

10、 从PACK角度看锂动力电池参数n上述参数的具体含义、 算法及影响因素。电池的开路电压1.开路电压含义2.开路电压算法：用万用表可以直接量测。3.影响因素：正、负极材料、容量、温度电池的容量A.电池容量定义B.实际容量的算法（RSOC），标称容量的算法。 现在大多用A.H法。当然还有开路电压法、负载电压法、内阻法、卡尔曼滤波法等等。 从PACK角度看锂动力电池参数c. .容量的影响因素容量的影响因素a)正、负极材料特性和制作工艺（活性物质的量）b)充放电倍率（放电电流越大，放出电量越小）c)温度（参考公式：C=C25*1-*(25-T)）d)自放电（自放电来自电池内部化学反应，实际参数要根据供

11、应商提供的曲线或者数据）e)老化：是指电池容量随循环次数的增加而衰减的现象（这里在估算RSOC时可以将老化特性反映在其中，但是确定其循环工作次数是难点）从PACK角度看锂动力电池参数电池的放电平台、标称电压A.放电平台定义：放电平台是指在电池任何倍率的电流下恒压充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.01C时停止充电即充满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间。3.6V即为标称电压。B.电压平台的影响因素1.和体系有关，正负极的电势差大，则平台高；反之则低。从PACK角度看锂动力电池参数2.和电池的内阻有关，内阻越大，平台越低。3.和放电电流的大小有关，电流越

12、大，平台越低。4.平台的长短和放电电流的大小有关，电流越大，平台越短。5.和循环次数有关，随循环次数的增多，电池性能下降，平台电压下降，长度变短。从PACK角度看锂动力电池参数电池的内阻l电池内阻的定义：电池在充放电过程中电流流过电池内部所受到的阻力。l电池内阻分类：从测试方法上看，电池内阻可以分为交流内阻和直流内阻。从内阻组成上来看分为欧姆阻抗及极化阻抗。从PACK的角度看动力锂电测试n在电池组成PACK时要做的（安全）测试项目1.充电过压保护测试2.放电过流保护测试3.充电过流保护测试4.欠压保护测试5.过温保护测试等从PACK的角度看动力锂电测试n锂动力电池所需做的（安全）测试项目1.过

13、充、过放测试2.加热测试3.高温荷电保持能力测试4.循环寿命测试5.针刺6.滥用测试等锂电池正极极材料n电池正极材料特性分析衡量正极材料安全性主要指标1.充电时形成枝晶的难易度钴酸锂极易形成、三元材料也易形成，锰酸锂不会形成。（这与锰酸锂的尖晶石结构是分不开的，Li+过度脱嵌也只是粒子晶型的改变）2.氧化-还原温度氧化还原温度是指材料在氧化还原反应放热的温度，是衡量材料氧化能力的重要指标，温度越锂电池正极极材料高，表明其氧化能力越弱。氧化温度最高的为磷酸铁锂（大于400）其次为锰酸锂（250），三元材料（180）钴酸锂（150）。即前者更适合做动力电池的正极材料。正极材料的合成方法 高温固相法

14、、共沉淀法、喷雾干燥法、复合碳酸盐法等等。 三种动力电池正极材料的合成中，钒酸锂的制作工艺条件最复杂，工业化难度较大。锂电池正极极材料n电极材料市场报价正极材料：长江有色金属钴 3031万/吨钴酸锂 23.524.5万/吨 锰酸锂 3.84.8万/吨三元材料 16.5万17.5万/吨 磷酸铁锂 11万16万/吨不等。负极材料：低端人造石墨 4K4万/吨，中高端人造石墨 612万/吨，低端天然石墨 24万/吨 ，中高端天然石墨 610万/吨 锂电池的制作工艺配料极片制作1.正极极片：活性物质+导电剂+PVDF+铝基片2.负极极片：石墨干粉+去离子水+CMC胶液+SBR胶+PVDF+铜片装配（隔膜

15、为聚合物）注液（电解液为无水有机体，具有一定的还原性）预充+化成+分容锂电池的制作工艺n分容定义：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。n化成定义：组装后的电池，被给予一定的电流，使得电池正负极活性物质被激发，最后使电池具有放电能力的电化学过程称为化成必要性：电池只有经过化成后才能够用来作为电源使用，所以需要化成。（是对活性物质的激活）锂电池的制作工艺nSEI膜简介定义：在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体

16、电解质的特征,是电子绝缘体却是Li+ 的优良导体,Li+ 可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface) ,简称SEI 膜。 锂电池的制作工艺SEI膜的成膜机理： 锂离子电池一般用碳材料(主要是石墨) 作负极,在SEI 膜形成的过程中,负极表面所发生的反应与金属锂负极相类似。Aurbach等认为可能的反应是由EC、DMC、痕量水分及HF等与Li+反应形成(CH2OCO2Li)2 、LiCH2CH2OCO2Li 、CH3OCO2Li 、LiOH、Li2CO3 、LiF等覆盖在负极表面构成SEI膜,同时产生乙烯

17、、氢气、一氧化碳等气体。 制作方法：干法、湿法锂电池的制作工艺SEI膜的影响因素： SEI 膜作为电极材料与电解液在电池充放电过程中的反应产物 ,它的组成、结构、致密性与稳定性主要是由电极和电解液的性质决定 ,同时也受到温度、循环次数以及充放电电流密度的影响。SEI膜的作用： 由于锂离子的嵌入过程必然经由覆盖在碳负极上的SEI膜,因此SEI 膜的特性决定了嵌脱锂以及碳负极电解液界面稳定的动力学,也就决定了整个电池的性能,如循环寿命、自放电、额定速率以及电池的低温性能等。 锂电池的制作工艺SEI膜的具体成份锂电池的制作工艺n电池隔膜组成：PE与PP的复合膜作用：电池隔膜最主要的功能是电子绝缘离子

18、导通，即阻止正负电极在电池中的直接的电子接触，但是离子可以自由通过。 参数：厚度、透气率、浸润度、化学稳定性、孔径、穿刺强度、热稳定性、热关闭温度、孔隙率。锂电池的制作工艺市场情况目前隔膜供应商有：美国的Celgard（三层），Entek（单层），荷兰的DSM（单层），日本的Asahi、Tonen（单层），UBE（三层）。此外国内做的比较好的有杉杉股份、BYD，但是比起国外还是有一定差距。中国锂电池发展现状n锂电池的市场格局（09）在较长一段时间里，世界锂离子电池市场基本是日本一家独霸的局面。最近几年中国和韩国奋起直追，目前世界锂离子电池市场已经呈现出中、日、韩三足鼎立的格局。见图表一：中国锂电池发展现状图表一：2009 年世界锂离子电池市场地区格局中国锂电池发展现状n全球锂离子电池市场生产厂商格局（09）根据2009 年的最新统计数据预估，全球锂电池芯销售量约达30.5 亿颗，主要由日本的Sony、Sanyo、Panansonic、Maxell、SGS、NEC 及ATL（被TDK 购併），韩国的SDI（三星）及LGC（乐金化学），大陆的BYD（比亚迪）、BAK（比