电池基础知识简述(锂电池)2016年1月

1、电池基础知识电池基础知识采购部Carl2016年1月目录页目录页第一章：第一章：电池基本定义电池基本定义电池基本定义：指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。具有正极、负极之分。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。电池主要性能包括电动势、额定容量、额定电压、开路电压、内阻、充放电速率、阻抗、寿命和自放电率。锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，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。（

2、此课件讲解将以锂离子电池作为参照讲解）电池组成部分：电芯、保护板、接触片，其他。 可以理解，电芯本身就是一个完整电池。电芯的基本组成：由正极、负极、隔膜、电解液、外壳五金件组成返回目录电池种类划分电池种类划分一：按电解液种类划分 1、碱性电池，电解质主要以氢氧化钾火溶液为主的电池：如：碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电池）、镉镍电池，镍氢电池等； 2、酸性电池，主要以硫酸水溶液为介质，如锌锰干电池（有的消费者也称之为酸性电池）、海水电池等； 3、有机电解液电池，主要以有机溶液为介质的电池，如锂电池、锂离子电池等。二：按工作性质和贮存方式划分 1、一次电池，又称原电池，即不能再充电的电池，如锌锰

3、干电池，锂原电池等； 2、二次电池，即可充电池，如镍氢电池、锂离子电池、镉镍电池等；蓄电池习惯上指铅酸蓄电池，也是二次电池； 3、燃料电池，即活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池，如氢氧燃料电池等； 4、贮备电池，即电池贮存时不直接接触电解液，直到电池使用时，才加入电解液，如镁化银电池又称海水电池等。三：按电池所用正、负极材料划分 1、锌系列电池，如锌锰电池、锌银电池等； 2、镍系列电池，如镉镍电池、氢镍电池等； 3、铅系列电池，如铅酸电池等； 4、锂离子电池、锂锰电池； 5、二氧化锰系列电池，如锌锰电池、碱锰电池等； 6、空气（氧气）系列电池，如锌空电池等。四：按电池的外形和尺寸划

4、分有1号电池、AA（5号）电池；AAA（7号）电池；方形电池；圆形电池等返回目录电池主要性能电池主要性能：容量：容量容量：它表示在一定条件下（放电率、温度、终止电压等）电池放出的电量（可用微电脑蓄电池放电容量检测仪JS-150D做放电测试），即电池的容量。通常以安培小时为单位（简称，以AH表示，1Ah=3600C）电池容量C的计算式为C=t0It1dt （在t0到t1时间内对电流I积分）电池容量按照不同条件分为理论容量、实际容量与额定容量 1、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

5、为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。 2、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。 3、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。影响电池容量因素：电池的实际容量,取决于电池中活性物质的多少和活性物质的利用率；活性物质的量一定的情况下，影响因素有放电率、终止电压、温度、极板的几何尺寸等。 注：给一个电池进行恒流恒压充电，然后以恒流放电，放出多少电量就是这个电池的容量，如蓄电池，镍氢电池等，但是锂电池就不行，它有个最低放电电压（即终止电压），即

6、放电电压不能低于2.75V，通常以3.0V为下限保护电压。例如锂电池容量是1000mAh,则充放电电流就1000mA,在电池最高电压4.2V内放到3.0V，放出来的容量才是电池最真实的容量。返回目录电池主要性能电池主要性能：各项电压值：各项电压值1、开路电压：电池不放电时，电池达到平衡时正、负两极之间的电位差被称为开路电压。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。2、工作电压（额定电压）：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。

7、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。3、终止电压：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。(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。锂离子电池的终止电压一般规定为：2.7V3.0V。)4、标称电压：为标明电池或电池组电压所取的电压近似值。锂离子电池的标称电压为3.6V或3.7V。（相当于电池的平均工作电压，电池在次电压工作时间最长。）返回目录电池主要性能电池主要性能：内阻、内阻、内压、内压、阻抗阻抗1、内阻：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

8、的内阻。 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。2、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液分解产生的气体于电池内聚集所致 。3、阻抗：电池内具有很大的电极-电解质界面面积，故可将电池等效为一大电容与小电阻、电感的串联回路。但实际情况复杂得多，尤其是电池的阻抗随时间和直流电平而变化，所测得的阻抗只对具体的测量状态有效。4、静态电阻与动态电阻： 静态电阻，即放电时电池的内阻； 动态电阻，即充电时电池的内阻。返回目录电池主要性

9、能电池主要性能：充放速率、充放速率、放电深度、自我放电、放电平台放电深度、自我放电、放电平台1、充放速率：有时率和倍 率两种表示法。时率是以充放电时间表示的充放电速率，数值上等于电池的额定容量（安小时）除以规定的充放电电流（安）所得的小时数。倍率是充放电速率的另一种表示法，其数值为时率的倒数。原电池的放电速率是以经某一固定电阻放电到终止电压的时间来表示。放电速率对电池性能的影响较大。2、放电深度：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。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。3、自我

10、放电：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。 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。 行业标准锂离子电池月自放电率小于12%。 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。4、放电平台：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。 行业标准1C放电平台为70%以上。返回目录电池主要性能电池主要性能：负载能力、负载能力、过冲过放、自我放电过冲过放、自我放电1、负载能力：当电池的

11、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。2、过放电：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。2、过充电：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。3、自我放电：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。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行业标准锂离子电池

12、月自放电率小于12%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。4、充电循环寿命：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循环寿命与电池充放电条件有关锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。5：记忆效应：与第一充电是电池容量有关。记忆效应是针对镍镉电池而言的，镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应。附：防止过充、过放的发生，需要电芯基础上增加保护板。返回目录电池主要性能电池主要性能：化成化成化成：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

13、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。 化成主要有两方面的作用：一是使电池中的活性物质借助于第一次充电转成具有正常电化学作用的物质；二是使电极主要是负极表面生成有效的钝化膜(SEI 膜)，以防止负极自发与电解液发生反应，同时使活性物质与电解质之间有良好的接触。 注、化成是锂电池生产过程中的重要工序，他是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。 、电池的化学性物质，在没有化成（活化）之前，活化极低落。导电性也极低，在加入电解液后，要经过

14、反复的充放电，使电池极板激活，电解液充分的吸附到极板的每一个部位，这样电池的容量才能逐渐提高，化学活性物质才能不断的活化，并增加其化学活性物质的利用率，电池的容量才能不断的提高，所以电池在没有经过活化没有电能，这便是电池的化成（活化）目的。 化成工艺：组装好的锂离子电池首先进行化成，：以0.1C恒流（40mA/g）充电到3.6V，再以0.2C恒流充电到4.2V，最后以4.2V恒压充电2小时。静置10min（静置条件根据电池特性各有不同，如60以下的恒温静置）,以0.2V恒流放电至2.5V3.0V（截止电压）终止。 重复以上动作（动作次数工厂根据工艺各有不同，一般三次。）。返回目录电池主要性能电

15、池主要性能：分容、分容、循环寿命循环寿命分容：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，并将电池按容量分类的过程称为分容 。简单理解就是容量分选、性能筛选分级。分容柜循环寿命：锂离子电池通过多次的充放电后容量会下降，其主要原因是正负极材料本身的变化，从分子层面上看，正负极上容纳锂离子的微孔结构会逐渐塌陷、堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物；物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况。 以上造成电池容量降低的各种情况，最终都是降低可以自由移动的锂离子数目 锂离子手机电池循环寿命不少于500次。返回目录附：附：SEI膜

16、膜详解详解SEI膜：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面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层，形成的钝化层能有效地阻止溶剂分子通过，却可以让Li+自由通过，具有固液电解质的特征，因此这层钝化膜被称为固体电解质界面膜（SEI膜）； SEI膜的影响：SEI膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的充放电效率；另一方面，能够有效的阻止溶剂分子的共嵌入，避免溶剂分子的共嵌入对电极材料造成的破坏。 （SEI产生在化成工序之中）锂离子电池以碳材料（石墨）为负极，在初次循环过程中，电解液会在电极表面形成一层固态电解质（SEI）膜，不同的负极材料会

17、有一定的差别，但SEI膜的成分主要由碳酸锂、烷基酯锂、氢氧化锂等组成，当然也有盐的分解产物，另外还有一些聚合物等。注：SEI膜的形成过程会消耗电池中的锂离子，并且SEI膜并不是稳定不变的，会在循环过程中不断的破裂，露出来新的碳表面再与电解质反应形成新的SEI 膜，这样会不断造成锂离子和电解质的持续损耗，导致电池的容量下降。SEI膜有一定的厚度，虽然锂离子可以穿透，但是SEI膜会造成负极表面部分扩散孔道的堵塞，不利于锂离子在负极材料的扩散，这也会造成电池容量的下降。返回目录第二章第二章：锂电池电芯基础知识电芯分类：1、以包装的方式分为三类： 钢壳喷码中以S（Steel）区分； 铝壳喷码中以Al区

18、分； 软包装喷码中以P（Polymer）区分；2、以内部的物质不同分为两类： 锂离子电芯（液态锂离子电芯Li-ion） 锂聚合物电芯（Li-Polymer）3、以结构不同来分类 方形电芯 圆柱形电芯。液态锂离子与聚合物锂离子的区别 聚合物锂离子电池所用的正负极材料和液态锂离子电池都是相同的，工作原理也基本一致。 主要区别在于电解质的不同，锂离子电池使用的是液态电解质，而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来替代，目前大部分采用聚合物胶体电解质。返回目录电芯的命名：圆柱形的型号命名电芯的命名：圆柱形的型号命名1、圆柱形的型号命名由三个字母和五位数字组成。 第一个字母表示电池采用的负极体系。字母I

19、表示采用具有嵌入特性负极的锂离子电池体系，字母L表示金属锂负极体系或锂合金负极体系。 第二个字母表示电极活性物质中占有最大重量比例的正极体系。字母C表示钴基正极，字母N表示镍基正极，字母M表示锰基正极，字母V表示钒基正极。 第三个字母表示电池形状，字母R表示圆柱形电池。三个字母后的四位数字表示电池的直径、高度；当电池中至少有一个尺寸大于或等于100mm时，在直径和高度的数字之间应加“/”。示例1： ICR18650表示直径为18mm，高度为65mm，以钴基材料为正极的圆柱形锂离子电池；示例2： ICR20/1050表示直径为20mm，高度为105mm，以钴基材料为正极的圆柱形锂离子电池；返回目

20、录电芯的命名：电芯的命名：方形的型号命名方形的型号命名 方形锂电池的型号命名由三个字母和六位数字组成；其中第一、第二个字母的含义与圆柱形电池的一致，第三个字母以“P”表示电池的形状； 三个字母后面的六位数字分别表示电池的厚度、宽度和高度； 当其中至少有一个尺寸大于等于100mm时，需用“/”隔开，当其中至少有一个尺寸小于1mm时，取其整数表示该尺寸，并在该整数前添加字母t；示例1： ICP083448表示厚度为8mm，宽度为34mm，高度为48mm，以钴基材料为正极的方形锂离子电池；示例2： ICP08/34/150表示厚度为8mm，宽度为34mm，高度为150mm，以钴基材料为正极的方形锂离

21、子电池；示例3： ICPt73448表示厚度为0.7mm，宽度为34mm，高度为48mm，以钴基材料为正极的方形锂离子电池；返回目录电芯电化学反应机理电芯电化学反应机理 01011、正极构造 LiCoO2(钴酸锂)+导电剂+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）2、负极构造 石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔）3、工作原理 正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 负极反应：C + xLi+ + xe- = CLix 3、电池总反应： LiCoO2 + C =Li1-xCoO2 + CLix 放电时发生上述反应的逆反应。返回目录电芯电化学反

22、应机理电芯电化学反应机理 0202 充电过程中，正极活性物质LiCoO2失去Li，失去XLi后，其结构会发生变化，其稳定性取决于X的大小。当X0.5时，正极的钴酸锂结构变得极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制X值，一般充电电压不大于4.2V，那么X就小于0.5，此时钴酸锂的晶型结构仍然是稳定的； 负极C6本身是层状的结构，有许多微孔，充电过程中，Li原子便是储存在这些微孔当中；当放电时，负极的Li原子回到正极，但必须有一部分的Li留在负极C6中，以保证下次充放电时Li的正常嵌入；通常设置下限电压不小于2,75V，就可以保证有一部分

23、Li留在负极中； 放电过程中，回到正极的Li原子数越多，则该电池的容量越大.返回目录电芯结构电芯结构1、主要由正极、负极、隔膜、电解液、外壳五金件组成；2、正极的成分主要采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2 或LiXMnO2 为活性物质，以及导电剂、溶剂、粘合剂、基体；3、负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。活性物质（石墨、MCMB)粘合剂、溶剂、基体； 一般负极的尺寸比正极大，负极的头部和尾部都应比正极大，以能够完全包住正极片为标准，且负极的容量应比正极大；4、隔膜（PP+PE）； 隔膜的性能：需要有良好的化学、电化学、机械稳定性；隔膜在150下搁置至少要保持10分钟性能不变。隔膜需要

24、一定的收缩率。5、电解质为溶解有锂盐LiPF6 、 LiAsF6等有机溶液；6、外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）。返回目录电芯结构（图解）电芯结构（图解）0101返回目录电芯结构（图解）电芯结构（图解）0101返回目录电芯制造过程电芯制造过程电芯基本性能与前所述基本性能相同，此不在阐述。 资料推荐：http:/ （电芯作为单个配件）（电芯作为单个配件）01返回目录电芯电芯(作为单个配件作为单个配件)02浆料搅拌-涂布-烧烤-分条-制片-卷绕-入壳-注液-封口-化成第三章第三章：电池保护板知识从本文档前文所述，可知电池在充电、放电过程中，过充、过放对电池本身会造成不可挽回的损失，而电芯本身

25、对充、放电过程中并无自身监控功能，所以在电池加工时，为了保证电池使用性能以及安全性会在电池加工时增加“保护板”。锂离子电池至少需要三重保护过充电保护，过放电保护，短路保护；详解：1：过充电保护：当外部充电器对其充电时，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，当达到4.25V时（假设电池过充点位4.25V）即启动过充保护，将功率MOS由开转为切断，进而截止充电。 过充的危害：过充可能导致漏液、变形、起火；在恒压失效后随着充电的加深，电压达到一定程度（一般限值是6.0V）会引起爆炸；2：过放电保护：放电状态下，当电池两端的电压低于其过放电电压检测点（假定为2

26、.5V）时将启动过放电保护，使功率 MOSFET 由开转为切断，进而截止放电，避免电池过放电现象产生，并将电池保持在低静电电流的待机模式，当锂电池接上充电器，且此时的电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除；3：短路保护：当使用过程中因为异操作造成短路，截断电池放电。（可自恢复。）返回目录锂电池保护板锂电池保护板锂电池保护板是对串联锂电池组的充放电保护。充满电时能保证各单体电池之间的电压差异小于设定值（一般20mV），实现电池组各单体电池的均充，有效地改善了串联充电方式下的充电效果。同时检测电池组中各个单体电池的过压、欠压、过流、短路、过温状态，保护并延长电池使用寿命。欠压保护使每一单

27、节电池在放电使用时避免电池因过放电而损坏。主要功能：过充保护功能，过放保护功能，短路保护功能，过流保护功能，过温保护功能，均衡保护功能。返回目录保护板技术参数保护板技术参数保护板技术参数： 均衡 电流 ：80mA(V/CELL=4.20V时) 均衡起控点：4.180.03 V 锂电池保护板原理图 锂电池保护板原理图 过充门限 ：4.250.05 V (4.300.05 V可选) 过放门限 ：2.900.08 V (2.400.05 V可选) 过放延时 ：5mS 过放释放 ：断开负载，并且各单体电池电压均高于过放门限； 过流释放 ：断开负载释放 过温保护 ：有接口，需安装可恢复性温度保护开关；

28、工作电流 ：15A（根据客户选择） 静态功耗 ：0.5mA 短路保护功能：能保护，断开负载可自恢复。 主要功能：过充保护功能，过放保护功能，短路保护功能，过流保护功能，过温保护功能， 均衡保护功能。 接口定义：该板的充电口与放电口相互独立，两者共正极，B-为连接电池的负极，C-为充电口的负极；P-为放电口的负极；B-、P-、C-焊盘均是过孔式，焊盘孔直径均为3mm;电池各充电检测接口以DC针座形式输出。 参数说明：最大工作电流和过流保护电流值的配置，单位：A（5/8，8/15，10/20，12/25，15/30，20/40，25/35，30/50，35/60，50/80，80/100），特殊过

29、流值可以按客户要求定制.返回目录保护板的性能测试保护板的性能测试01一、管理IC（如LAPIS、MCU等）数据写入部份的: 1、 I2C资料写入及核对，如LAPIS资料及各家MCU方案等 2. 写入生产日期(当天日期)和系列号- Write Serial Number and Manu date二、基体特性部份: 3.开路电压测试：测量加载电压后，MOS管是否能正常打开； 4. 带载电压测试：测量保护板的带载能力，从而反应保护直流阻抗 5. VCC电压测量（芯片的工作电压是否正常） 6. 芯片的工作频率测量（芯片的工作晶振频率） 7. 导通电阻测量（MOS管及FUSE阻值测量）； 8. 识别电

30、阻IDR测量； 9. 热敏电阻-THR； 10. 正常状态的静态功耗电流&休眠静态功耗（sleep） 11、关断状态的（Shout Down）静态功耗电流；补充LAPIS：半导体， TI：微控制单元， MOS管：金属氧化物半导体场效应晶体管，或者称是金属绝缘体半导体， VCC电压：电路的供电电压， FUSE阻值：保险丝电阻， IDR：普通电阻， THR：热敏电阻 sleep：若进程/线程挂起到参数所指定的时间则返回0，若有信号中断则返回剩余秒，单位为秒返回目录保护板的性能测试保护板的性能测试02三：保护特性部分测试： 12. 单节电池过充保护测试（COV）， A、保护下限：测试保护板是否提前保

31、护，影响电池容量值； B、保护上限：测试保护板是否有保护，影响电池的安全性； C、保护延时间上、下限：保护延时间是否在设计范围； D、恢复测试：保护后，是否能恢复，关系电池能否再次使用问题。 13. 单节电池过放保护测试（CUV）； A、保护值上下限:一个是电池能否放到最底值，容量能否完全放出来，一个是一定要保 护，否则影响电池的寿命； B、保护延时间：保护延时间是否在设计范围， C、恢复值、恢复时间：保护后，是否能恢复，关系电池能否再次使用问题。 14. PACK电池过压保护测试（POV）保护值、保护延时间、恢复值、恢复时间（如果有测COV，POV不用测，一般比较不建议只测POV，因为总组的

32、POV即使有保护，并不代表每一节的都能够保护，万一有某一节不保护了，那就很危险。） 15. PACK电池低压保护测试（PUV）；保护值、保护延时间、恢复值、恢复时间；原理同CUV,CUV有测CUV，可不测PUV，理由同POV；返回目录保护板的性能测试保护板的性能测试03 16. 充电过流保护（OCCHG）； A、保护值上下限：电流太小，关系充电时间，电流过大，关系电池寿命； B、保护延时间：关系电池发热堪至烧保护板问题； C、恢复值、恢复时间：电池的再次使用； 17. 放电过流保护（OCDSG）； A、保护值上下限：显得优为重要，下限，不能提前保护，否则影响功率，车跑不快、电动工具转不动等，上限一定保护，不保护导至烧电机、电池发热等问题； B、保护延时间上下限:这个也比