锂离子电池的基本知识

.MBA教学实习基地守合同重信用企业国家高新技术企业广东高科技产业商会常务理事单位绿色产业促进会理事单位锂离子电池的基本知识锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第1页!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。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是锂金属，负极是碳。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，

又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion又叫摇椅式电池。1.Li-ion的基本概念锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第2页!2.1

Li-ion具有以下优点：

1）

单体电池的工作电压高达3.6-3.8V：

2）

比能量大，目前能达到的实际比能量为100-115Wh/kg和240-253Wh/L（2倍于Nl-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400

Wh/L

3）

循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次.对于小电流放电的电器,电池的使用期限

将倍增电器的竞争力.4）

安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。

5）

自放电小

室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd（镍镉）的25-30%，Ni-MH（镍氢）的30-35%。2.Li-ion电池的优缺点锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第3页!3镍镉，镍氢，锂离子充电电池的比较目前镍镉，镍氢，锂离子充电电池大量应用于各种便携式用电设备（如笔记本电脑，摄像机和移动电话等到）中，每种充电电池都具自已独特的化学性质。镍镉和镍氢电池之间主要差别在于：镍氢电池能量密度比较高。与相同型号电池对比，镍氢电池容量是镍镉电池的二倍。这意味着在不为用电设备增加额外重量时，使用镍氢电池能大大地延长设备工作时间。镍氢电池另一优点是；A大大减少了处镉电池中存在的：“记忆效应”问题，从而使得镍氢电池可更方便地使用。镍氢电池比镍镉电池更环保，因为它内部没有有毒重金属元素。Li-ion也已经快速成为便携设备的标准电源，Li-ion能提供和镍氢电池一样的能量，但在重量方面则可减少大约35%，这对于旬摄像机和笔记本电脑之类的用电设备来说是至关重要的。Li-ion完全没有“记忆效应”和不含有毒物质的优点也是使它成为标准电源的重要因素。锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第4页!二.lion电池的基本参数2.1电池的标称方形Lion电池的方法是已电池的三围命名

如：7548168厚7.5宽48长168mm

055152厚5.0宽51长52mm

圆形Lion电池方法是

直径+高度+0（圆形）如：18650直径18mm高度65mm14430直径14mm高度43mm2.2电池的容量电池的容量有额定容量和实际容量之分。电池的额定量是指设计与制造电池时规定或保证电池在一定的放电条件下，应该放出最低限度的电量。Li-ion电池在常温、恒流（1C）恒压（4.2V）控制的充电条件下充电3h，电池的实际容量是指电池在一定的放电条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）。容量常见单位有：mAh、Ah=1000mAh）。锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第5页!二.lion电池的基本参数2.6放电平台放电平台是恒压充到电压为4.2V并且充电电流小于0.01C时停充电，然后搁置10分钟，在任何功率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间。是衡量电池好坏的重要标准。2.7（充放电）倍率/时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，它在数据值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为600mAh为1C（1倍率），300mAh则为0.5C,6A(600mAh)为10C.以此类推.时率又称小时率,时指电池以一定的电流放完其额定容量所需要的小时数.如电池的额定容量为600mAh,以600mAh的电流放完其额定容量需1小时,故称600mAh的电流为1小时率,以此类推.锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第6页!三．锂离子电池原理及工艺流程3.1.结构

3.1.1

正极构造

LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）

正极

3.1.2

负极构造

石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+

集流体（铜箔）

负极3.1.3隔膜——一种特殊的复合膜

3.1.4有机电解液

常用的为六氟磷酸锂，四氟磷酸锂（LiPF6、LiClO4）等。

3.1.5电池壳（分为钢壳和铝壳两种）3.2

充电过程如上图一个电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为

LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)

负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe=====LixC6锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第7页!钴酸锂锰酸锂三元锂磷酸铁锂标称电压3.7V3.7V3.4V3.2V充电电压4.2±0.05V4.2±0.05V4.2±0.05V3.650±0.05V终止电压D(NORM)2.752.752.752.75终止电压D(MIN)2.0截止电压(MAX)

4.0(不推荐）容量高低高低平台高高低低充放电流大(2C)

大大超大电流(10-20C)储存性好特差差好自放电小大大小膨胀系数小大大小价格贵低(1/4)低(1/3)贵正极材料比较锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第8页!工作电压3.7V,正极材料锰酸锂,优点：材料合成性能好、价格便宜(与钴酸锂比价格相差达10倍以上有时甚至最高达15－20倍，2.6W＝26W－20100620）缺点：容量低,自放电大，平台高，循环寿命差,储存特性差，同体积尺寸容量仅钴酸锂的50－60%,电化学稳定性差,一般在30个循环时容量衰减达到20%以上,储存三个月,容量损耗达到50%,且不可恢复,储存六个月基本上不能继续使用,储存二个月以上易鼓胀.由于是在高温度环境下储存特性更差。(使用环境温度超过30度,循环寿命更差）.由于电芯生产出厂前不能作长期高温储存老化,所以出厂的电芯一致性差,不能将自放电大的与由于工艺缺陷的产品挑选出来有时甚至可能引起爆炸。目前一些小电芯厂在生产此类电池产品多用于山寨手机，低端电池品牌在使用。由于小电芯厂的工艺，设备，管理落后，环境湿度与净度没有保障，生产的品质更差。锰酸锂锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第9页!工作电压3.2V优点：循环寿命可达到2000次以上，安全性能好,无记忆效应.自放电小，可大电流充放电，磷铁电池1C充电10分钟可达到标称容量的90%。工作温度范围高，工作温度为-25~45°C，放电容量大，单节电池过充电压30V不燃烧，穿刺不爆炸。缺点：工作电压低，目前制造工艺不太成熟，价格昂贵，容量低（与钴酸锂比只有其60%左右）广泛用于电动工具，电动车，航模类等大电流放电产品。

磷酸铁锂锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第10页!龙威盛锂离子电池使用原材料表原材料名称材质/规格备注电芯正极材料钴酸锂负极材料石墨隔膜纸厂商：日本宇部保护板自产胶壳自产锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第11页!2.2

Li-ion具有以下缺点：1）

电池成本较高。主要表现在LiCoO2（钴酸锂）的价格高（Co（钴）的资源较小），电解质体系提纯困难。

2）

不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。3）

需要保护线路控制。

A、

过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电；

B、

过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。

2.Li-ion电池的优缺点锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第12页!Ni—Cd、Ni—MH、Li-ion各技术参数比较

项目

镍镉电池

镍氢电池

锂离子电池

电压

重量比能量5065105-140

体积比能量150200300

充放电寿命5005001000

自放电率(%)25-3030-356-9

有无记忆效应

有

无

无

有无污染

有

无

无锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第13页!二.lion电池的基本参数2.3电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。是衡量电池性能的一个重要参数。注：一般以充电态内阻为标准。测量电池的内阻需用专用内阻仪测量，而不能用万用表欧姆档测量。

2.4开路电压是指电池在非工作状态下即电路无电流流过时，电池正负极之间的电势差。一般情况下，Li-ion充满电后开路电压为4.1-4.2V左右，放电后开压为3.0V左右，通过电池的开路电压，可以判断电池的荷电状态。2.5工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流过时电池正负极之间电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电池，充电时则与之相反。Li-ion的放电工作电压在3.6V左右。锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第14页!二.lion电池的基本参数2.8自放电率又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。主要受电池制造工艺、材料、储存条件等因素影响。是衡量电池性能的重要参数。

注：电池100%充电开路搁置后，一定程度的自放电正常现象。在GB标准规定LI-ion后在20±2℃条件下开条件下开路搁置28天。可允许电池有容量损失。2.9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。

高倍率的连续过充，会导致电池温度升高、内压增大，严重时对电池的性能及外观产生破坏性影响，如漏液、鼓底，电池内阻增大，放电时间及循环寿命变短等。

Li-ion任何形式的过以都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。帮Li-ion在充电过程中需采用恒流恒压充电方式，避免对电池产生过充锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第15页!锂离子电池锂离子电池的构造锂电池电芯保护板胶壳正极材料负极材料隔膜纸电解液锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第16页!工作电压3.7V，正极材料钴酸锂。优点：容量高，循环寿命长,可达到500次以上,甚至1000次(与DOD有关),(IEC标准500次，国标300次）电池容量>85%，轻巧，自放电小,（室温下充满电储存1个月后的自放电率为2%左右）,可快速充放电，（1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上）。缺点：电池成本高，电池使用主要材料的价格高（如钴酸锂、高纯电解铜、高纯电解液等材料价格昂贵）是锰酸锂的10倍有时可高达15-20倍，是三元锂的1倍，生产过程控制要求很高，管理和设备运行成本高（对环境要求严格，比如温度，湿度，空气）。钴酸锂的电池不能长期进行2C以上大电流充放电。由于有机电解质体系等原因，故要求较小的放电电流密度，一般长期放电电流最好应控制在2C以下。钴酸锂锂离子电池的基本知识共20页，您现在浏览的是第17页!三元锂工作电压3.4V优点:性能稳定,安全性好,实际容量比与钴酸锂基本持平（价格较贵是钴酸锂的50%左右），缺点：目前三元锂电池的制造工艺技术不成熟，工作电压低，工作电压明显低于钴酸锂的3.7V，储存性能差由其是高温储存特性与锰酸锂有点相似，长期储存不使用容量衰减大，易鼓胀，对于数码设备来说由于经常使用到闪光灯，那么其的单次放电电流大，如果3.7V的平台低，而3.4V平台好，会表现出来容量绝大部分在低端电压部分，而数码设备所必须使用的均是必须高于3.3以上的电压，如果在大电流放电情况下（大于1C）电压会下降得更快（数码相机使用闪光灯P—P1.2A左右，其性能在数码产品上根本没有办法发挥出来，所以就会致使其实际使用容量低，平台低，放电特性不好。那么为什么市面上用三元锂作的电池而价格又比钴酸锂的还便宜呢，由于其又想改善电芯的电压与平台，那么里面基本上均是使用90%锰+10%三元的结合体。所以其品质，安全性与其他的特性又得不到保障，但价格相对低。锂离子电池的基本知识共20