电池基本知识2016

电池知识培训培训人：赵金龙电池什么是电池？简单说，储水的叫水池，储电的叫电池电池的诞生

电池的诞生，基于人们对于获取持续而稳定的电流的需要。不过，电池的发明，是来源于一次青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然。1780年，意大利科学家伽伐尼在解剖青蛙时偶然发现与金属接触的蛙腿会发生抽动，若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉，则当两种金属相碰时，蛙腿也会发生抽动，伽伐尼认为这是一种“动物电”现象。伏特电堆伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法。而意大利物理学家伏特（AlessandroVolta）在多次实验后则认为：青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。1799年，伏特成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。“本生电池”和“格罗夫电池”1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，搬运很不方便，特特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。1859年GastonPlanté发明可充电的铅酸电池1888年Dr.Gassner开发出第一个干电池.1896年在美国批量生产干电池1899年WaldmarJungner发明镍镉电池1911年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂）1914年ThomasEdison发明碱性电池1947年Neumann开发出密封镍镉电池1956年我国建设第一个镍镉电池工厂（风云器材厂（755厂））1976年PhilipsResearch的科学家发明镍氢电池1987前我国商业化生产一次锂电池1990前后镍氢电池商业化生产.1991年Sony.可充电锂离子电池商业化生产1995年我国镍氢电池商业化生产初具规模1999年可充电锂聚合物电池商业化生产2000年我国锂离子电池商业化生产目录一、电池定义二、化学电源的基本结构三、衡量电池的几个重要参数四、电池的种类

4.1原电池（一次电池）：

4.1.1锌锰干电池

4.1.2碱性锌锰电池

4.1.3锌银电池

4.2蓄电池4.2.1铅酸电池

4.2.2镍镉电池

4.2.3镍氢电池

4.2.4锂离子电池

4.3贮备电池

4.4燃料电池目录一、电池的定义电池：是将化学能、光能、热能、核能等直接转换为电能的装置。电池就是一种能量存储与转化的装置将化学能转化为电能的装置叫化学电源，也就是我们常规所说的电池，本文只针对化学电源做介绍。二、电池的基本结构组成化学电源必须具备的结构及最基本的作用：1、正极：电池的核心部分，由活性物质和导电骨架组成。决定电池的基本特性。与负极搭配产生容量与电压。2、负极：电池的核心部分，由活性物质和导电骨架组成决定电池的基本特性。与正极搭配产生容量与电压。3、电解液：正负极间物质、能量传输，电池充放电时或参与反应。4、隔膜：分隔正负极，电池充放电时不参与反应。5、外壳：电池的容器，维持电池内部稳定的体系，减少外部环境的干扰。三、衡量电池的几个重要参数描述表征电池电性能的基本参数有：1、电压2、容量3、内阻4、循环寿命5、自放电性能3.1、电压：电池电压是正极的电极电位与负极电极电位之差，电压的单位是V电极电位是物质的固有属性。因此电池的电压与电池的种类有关系，即与制造电池的材料有关系。因此每种电池的额定电压是固定的。如铅酸电池2.0V,镍氢电池1.2V，钴酸锂电池3.7V，磷酸铁锂电池3.2V等开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。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流过时电池正负极之间的电势差。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压，充电时则与之相反。对电池电压影响最大的是充电后的搁置时间，其他如充电方式，环境温度也会影响电池电压。对于镍氢电池来说，合适的工作电压在1.0-1.6V之间，低于0.6V会对电池造成致命破坏，对于锂离子电池的合适工作电压一般为4.35-2.75V（LiFePO4电池为3.65-2.0V）。低于2.75V会对电池造成致命破坏。3.1、电压：3.2、容量：额定容量是指在一定的放电制度下（即一定的放电倍率*、温度、电压）电池所给出的电量。电池容量的单位是mAh或者是Ah，1Ah=1000mAhmAh是一个电量单位。1Ah=3600C电量*倍率(C-rate)电池的充电和放电电流是以C倍率进行度量的,1C的定义:如电电池容量是1000mAh,1C放电就是以1000mA放电，0.5C放电就是以500mA放电。3.3、内阻：内阻是指电流通过电池内部时受到的阻力，它包括欧姆内阻和极化内阻。内阻的单位是欧姆（Ω）欧姆内阻是由电解液阻抗,极片电阻,隔膜纸电阻,和极耳盖帽钢壳等电阻相加而得。电池的欧姆内阻还与电池形状,尺寸,结构,装配等因素有关极化内阻包含浓差极化和电化学极化极化内阻与电流通过有关，因此不是一个定值，我们所讲的内阻都默认为交流内阻。对于一颗镍氢电池来说，带电量、环境温度对其影响较大。对电池内阻测试可分为交流内阻（RAC）和直流内阻（RDC）RAC：利用电池等效于一个有源电阻的特点,给电池一个1000HZ,50mA的恒定电流,对其电压采样整流滤波等一系列处理从而精确地测量其阻值RDC：测直流内阻时由于电极极化,产生极化内阻,故无法测出其真实值因此所测得的交流内阻等同于电池的欧姆内阻，而直流内阻是电池的欧姆内阻与在特定电流下的极化内阻之和。3.3、内阻：3.4、循环寿命：电池循环寿命是指电池在一定的充放电条件下，电池容量降到某一规定值前所经历的充放电次数。可以近似理解为二次电池的使用次数或使用寿命。对于镍氢电池来说，高温环境、过度充放电以及大电流充放电会减少电池的循环次数，浅充放对电池的循环次数有利。对锂离子电池同样适用。3.5、自放电：电池的自放电是指电池在开路的时候自动放电的现象。普通镍氢电池的自放电相对于其他主流的二次电池是最大的。自放电会造成电池所充入的电量流失，电压降低。四、电池的种类按照工作性质分类：4.1、原电池（一次电池）4.2、蓄电池（二次电池）4.3、贮备电池4.4、燃料电池（连续电池）下面主要针对前两种，我们经常见到用到的电池做简单的介绍。4.1、原电池（一次电池）：指电池在放电后不能用简单的充电方法使活性物质复原而继续使用的电池。如：锌锰电池（锌锰干电池及锌锰碱性电池）、锂锰电池、锌空电池、一次锌银电池等.制造最早而至今仍大量生产的原电池。有圆柱型和叠层型两种结构。其特点是使用方便、价格低廉、原材料来源丰富、适合大量自动化生产。但放电电压不够平稳，容量受放电率影响较大。适于中小放电率和间歇放电使用。4.1.1锌锰干电池常用的一种是碳－锌干电池。负极是锌做的圆筒，内有氯化铵作为电解质，少量氯化锌、惰性填料及水调成的糊状电解质，正极是四周裹以掺有二氧化锰的糊状电解质的一根碳棒。电动势约为1.5伏。新型锌锰干电池采用高浓度氯化锌电解液、优良的二氧化锰粉和纸板浆层结构，使容量和寿命均提高一倍，并改善了密封性能。4.1.2碱性锌锰电池亦称为碱性干电池、碱性电池、碱锰电池，圆柱型碱性锌锰电池，是锌锰电池系列中性能最优的品种。4.1.3锌银电池锌银电池可做成原电池、蓄电池等不同形式，其外型常见有矩形、圆柱形和纽扣形三种。最普通的锌银电池的正极是氧化银加石墨，负极材料是金属锌，电解质是强碱氢氧化钾。锌银电池的优点在于放电电压稳定，连续使用性能好。4.2、蓄电池：蓄电池是指电池在放电之后可通过充电的方式使活性物质复原而继续使用的电池，而这种充放电可以达到数十次，上千次循环。如：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等；4.2.1铅酸电池最为常用，其极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸。两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后，正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅，负极处硫酸铅转变成金属铅。放电时，则发生反方向的化学反应。铅蓄电池的电动势约为2伏，常用串联方式组成6伏或12伏的蓄电池组。电池放电时硫酸浓度减小。铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，缺点是比能量（单位重量所蓄电能）小，对环境腐蚀性强。4.2.2镍镉电池镍镉电池：是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单，一般使用以下反应放电：

Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2充电时反应相反。

镍氢电池是一种绿色环保的电池。具有容量高，功率大，无污染等特点。与镍镉电池比较，容量提高了50%以上。4.2.3镍氢电池圆柱形镍氢电池的基本结构4.2.3镍氢电池镍氢电池的基本结构4.2.3镍氢电池部件材料正极制造时:Ni(OH)2,荷电态:NiOOH(羟基氧化镍),导电骨架:泡沫状镍网负极制造时:LaNi5(即AB5合金,荷电态:金属氢化物,导电骨架为冲孔镍带或镀镍钢带隔膜白色隔膜:PP;棕色隔膜:PP&PE电解液KOH,NaOH,LiOH正导流体镍片封口村料胶圈:尼龙封口剂:沥青盖帽/钢壳镀镍钢材套管PVC/纸外壳及包装镀镍钢壳,套管:PVC,PET镍氢电池的反应原理4.2.3镍氢电池镍氢电池的反应原理4.2.3镍氢电池电池电极电子得失电极反应化学反应放电正极获得电子还原反应NiOOH+H2O+e→Ni(OH)2+OH-负极失去电子氧化反应MH+OH-→M+H2O+e充电正极失去电子氧化反应Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e负极获得电子还原反应M+H2O+e→MH+OH-镍氢电池尺寸4.2.3镍氢电池镍氢电池有扣式、方形、圆柱形等尺寸。目前圆柱形应用最为广泛。圆柱形按照直径可以分为如下种类类型5A4A3A2AAFASCCD直径/mm6.88.210141618222532镍氢电池基本性能指标4.2.3镍氢电池容量检测方法：0.2C放电到1.0V/cell，0.1C*16h，搁置1h，0.2C放电到1.0V/cell电压：开路电压应≥1.2V对于镍氢电池来说，其电压与所带电量存在一定关系，但不是线性的，故电池电压高不完全代表其带电量高，反之亦然。要用电压衡量带电量一定要有诸多的条件限制内阻：/循环寿命：普通镍氢电池，应≥500次，AA/AAA高容量镍氢电池≥300次自放电：约20%/月镍氢电池的充电：充电时间=电池容量/充电器输出电流*（1.0-1.1），镍镉电池的充电时间也可以这样计算。镍氢电池标准4.2.3镍氢电池镍氢电池目前IEC标准为IEC61951-2/IEC62133。UL标准为UL2054镍氢电池国家标准的标准为GB/T22084.2

镍氢电池和镍镉电池的工作电压是一至的，都是号称1.2V。可以完全替代同外观的锌锰干电池及碱性锌锰电池（号称电压是1.5V）。从环保上来说镍氢电池是最好的，无汞的锌锰电池也是环保的。镉镍电池中的重金属镉则有毒不环保，使用过程中电池万一发生泄漏，对使用者的身体也有害，使用结束后电池丢弃会对环境造成污染。4.2.4锂离子电池锂离子电池分为液态锂离子电池(LiquifiedLithium-IonBattery，简称为LIB)和聚合物锂离子电池(PolymerLithium-IonBattery,简称为PLB)或塑料锂离子电池（PlasticLithiumIonBatteries,简称为PLB)聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，正极材料分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂材料，负极为石墨，电池工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同，液态锂离子电池使用液体电解质，聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物凝胶电解质。4.2.4锂离子电池液态锂离子电池的形状只有方形和圆柱形两种，外壳都是金属壳分为铝壳和钢壳，前者应用手机等小型设备，后者经过多个串并联成组后应用于笔记本等中型耗电量大些的设备上。聚合物电池采用铝塑料材质，其形状可变，可以塑造成除长方体和圆柱体外的不太规则的形状，在蓝牙耳机这种微型设备中大多是聚合物电池。按外包装材料可分为：钢壳电池、铝壳电池、软包装电池。锂离子电池的组成部分电池的主要组成部分为：（如右图）正极片、负极片、电解液、隔膜纸、盖帽、外壳、绝缘层。软包电池可分为卷绕式、切片式叠片式三种。圆柱锂电结构如下图：4.2.4锂离子电池4.2.4锂离子电池锂离子电池基本材料部件材料正极LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）

正极负极石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+集流体（铜箔）负极隔膜单层PE（聚乙烯）或者三层复合PP（聚丙烯）+PE+PP电解液EC（碳酸乙烯酯）、PC（碳酸丙烯酯）、DEC（二乙基碳酸脂）DME（二甲基碳酸酯）、LiPF6(六氟磷酸锂)、LiAsF6(六氟砷酸锂)、LiCoO2(钴酸锂)集流体正极铝带负极镍带外壳铝塑膜/钢壳/铝壳锂离子电池反应原理锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正极的二次电池。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路径不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。充电时反应如下：负极反应：C+xLi++xe-===CLix

正极反应：LiCoO2====Li1-xCoO2+xLi++xe-

电池总反应：LiCoO2+C====Li1-xCoO2+CLix

放电时发生上述反应的逆反应。4.2.4锂离子电池4.2.4锂离子电池型号表示：方形锂离子电池的型号一般用六位数表示，前两位表示电池厚度，中间二位数表示宽度，最后两位表示长度，例如383450型，表示厚度为3.8mm,宽度为34mm,长度为50mm

圆柱电池型号一般用五位数表示，如18650系列，18代表电池直径，650代表电池高度。锂离子电池基本指标4.2.4锂离子电池容量检测方法：0.2C放电到2.75V/cell，0.2C或1C充电到4.2V(4.35V)转4.2V(4.35V)恒压充电至电流≤0.01C,最长充电时间不超过8h，搁置0.5-1h，0.2C放电到2.75V/cell(GB/T18287)电压：开路电压应≥3.6V内阻：/循环寿命：应≥500次。锂离子电池保持性能最佳的充放电方式为浅充浅放。一般60%DOD是100%DOD条件下循环寿命的2~4倍自放电：约10%/月锂离子电池基本指标4.2.4锂离子电池锂离子电池目前IEC标准为IEC61960/IEC62133。UL标准为UL1642/2054锂电池国家标准的标准为GB/T18287另外电池常用标准也有日本工业标准JISC关于电池的标及SANYOPANASONIC公司制定的关于电池企业标准。一般电池行业依据的是SANYO或Panasonic的标准。

锂电池与其他二次电池的对比4.2.4锂离子电池项目镍镉电池镍氢电池铅酸电池锂离子电池聚合物锂离子电池能量密度(Wh/kg)45~8060~12030~50110~160~160循环寿命≥500≥500200~300≥500≥500快速充电时间（h）118~162~42~4耐过充能力中等中等高低低自放电（/月）20%8-30%5%10%10%单体电压(V)1.251.2523.63.6负载电流max20C10C5C2C2C工作温度（℃）-40~60-40~80-40~60-20~60-20~60维护要求30~60天3~6月3~6月不需不需环境影响含有毒金属环境友好环境污染轻微污染轻微污染记忆效应有无无无无耐滥用性高高低低中等安全优优优差良锂电池保护板4.2.4锂离子电池1、保护板的功能：由于锂离子电池本身的材料不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，锂电池这些特性决定了使用保护电路的必要性，保护板主要功能有：1）过充保护功能：过充保护功能是指电芯在达到过充电检测电压时，禁止由充电器继续充电。即控制过充电的MOS管进入关断状态，停止充电。2）过放保护功能：过放电保护功能是在电池电压变低达到过放电检测电压时，停止对负载放电。将控制过放的MOS管进入关断状态，禁止其放电。该过程正好与过充电检测时的动作相反。3）过流、短路保护功能：过电流、短路保护功能是电芯在大电流放电或短路时系统停止对负载放电。将控制放电的MOS管进入关断状态,停止其继续放电。此功能目的在于保护电芯及MOS管，确保电池在工作状态下的安全性。过电流检测之后，电池与负载脱离后将恢复到常态，可以再充电或放电。锂电池保护板4.2.4锂离子电池2、保护板的组成保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下准确的监视电芯的电压和充放电电流值，及时控制电路的通断。保护板元件通常包括电源管理IC、MOS及周围的电阻、电容器件,或可能附加有NTC、ID识别电阻及FUSE、PTC保护器件等

元件定义保

护

板

的

组

成IC属于主动元件，是保护电路的核心。通过取样电池电压进行判断，在一切正常的情况下控制MOS开关导通，使电芯与外电路沟通，而当电芯电压或回路电流超过规定值时