锂离子电池基本知识培训

锂离子电池基本知识培训第一页，共二十三页，2022年，8月28日内容1.关键词

1.1二次电池的主要类别1.2锂离子电池的特性

2.反应原理2.1正常充放电过程2.2异常充放电过程

3.材料的主要成分，作用及其特性2.1正极材料2.2负极材料2.3隔膜2.4电解液2.5铝塑膜/钢壳-盖帽2.6极耳4.主要的性能参数，影响因素及相对应的关键控制点第二页，共二十三页，2022年，8月28日1.2锂离子电池的特性（1）1.2.1安全性锂离子电池由于具有能量密度高、输出电压高、容量高等优点；而这些优点同时也带来了锂离子电池的安全性隐患。一般来说，能量密度，电压及容量越高，安全性就越差。锂离子电池的电极反应机理，电池的材料体系决定了锂离子电池一旦出现滥用，将非常容易导致热失控，从而引发起火，爆炸等安全事故。第三页，共二十三页，2022年，8月28日1.2锂离子电池的特性（2）各种电池的比较技术参数镍-镉电池镍氢电池锂离子电池工作电压（V）1.21.23.7克容量/（mAh/g)5065130~160能量密度/（Wh/L)150~200280~320490~570充放电循环/次500500500-1000自放电率（%/年）25--3030--356--9记忆效应有无无对环境的影响镉,严重污染重金属污染无污染安全性高高低锂离子电池为高储能体第四页，共二十三页，2022年，8月28日2反应原理基本反应原理：充电过程：锂离子在负极表面得到电子，被还原为锂原子；然后在微弱的共价键作用下，镶嵌到石墨分子（6个碳原子）中。放电过程:锂原子从LiC6中脱嵌而出，失去电子变成锂离子，回到电解液和正极。

+充电放电第五页，共二十三页，2022年，8月28日2.1正常充放电过程充电过程：正极反应：Li1MO2---->Li1-xMO2+xLi+xe-负极反应：C+xLi++xe-----CLix总反应：Li1MO2+C--Li1-xMO2+CLix放电过程：正极反应：Li1-xMO2+xLi++xe----LiMO2负极反应：CLix-----C+xLi++e-总反应：Li1-xMO2+CLix--Li1MO2+C

第六页，共二十三页，2022年，8月28日2.2异常充放电过程过充电：通常指电压高于4.2v以上。一般高于4.35v会严重损伤电池性能。从分子层面看，可以直观的理解，过度充电将把太多的锂原子硬塞进负极碳结构里去，当没有足够的石墨分子来“存放”锂原子时，锂原子将在负极石墨表面结晶，即“析锂”现象；当枝晶越长越大时，可能刺穿隔膜导致短路。过放电：通常指电压低于3.0v。一般低于2.0v会严重损伤电池性能。过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷。同时，当电池电压低于铜的氧化电位时，铜箔将会溶解进入电解液，并在正极片上面结晶析出，即“析铜”现象。过电流充（大倍率）放电：可能会严重损伤电池，导致鼓胀，起火，爆炸等事故。严重过充的可能后果:1）：容量衰减快，电压衰减快；2）：鼓胀，起火，爆炸。严重过放的可能后果：1）：容量衰减快，电压衰减快；2）：鼓胀第七页，共二十三页，2022年，8月28日2.3析锂和析铜的照片析锂析铜第八页，共二十三页，2022年，8月28日3电池材料3.1正极材料：

材料克容量(mAh/克)平台(3.6v)过充性能高温性能循环寿命安全性钴酸锂140-16080-90%4.6v好1000次差锰酸锂100-12090%4.8v差300次差三元(锂镍钴锰)130-15050%4.6v好500-800次差磷酸铁锂130-14090%(3.2v)?好3000次好正极材料的主要作用：提供导电正电荷（Li离子）。

第九页，共二十三页，2022年，8月28日正极材料的晶体结构第十页，共二十三页，2022年，8月28日3.2负极材料负极材料主要是石墨，分天然石墨，人造石墨，改性石墨等。

石墨吸附能力非常强，很容易吸收水分，吸收灰尘，吸收气体，因此要密封保存。层状石墨无定形体在空气中的着火点很高(1000度以上），但如果颗粒非常小，有明火存在时则在750-800度比较容易被引燃。化学性能稳定，常温下不与酸性，碱性，有机或无机溶液发生反应。负极材料的主要作用：1）包容锂原子，形成LiC，降低Li原子的化学活性。2）导电性好，有利于降低电池的内阻。小问题：卷绕工序为什么要求负极必须完全包住正极？第十一页，共二十三页，2022年，8月28日3.3隔膜隔膜的成分：PP+PE隔膜的结构分类：单层，双层，三层常用的隔膜是一层PP和一层PE（或两层PP）压合在一起形成。每层膜的微观结构上都有很多微孔，能够透过分子直径比较小的气体分子，能通过离子，但不能通过电子。隔膜的特性:1）受热收缩：80°以上的环境中，长度和宽度两个方向都会受热收缩；2）离子导通，电子关断。3）软化点130-140°，熔点170-190°。隔膜的作用：1）在正负极之间起到绝缘作用；2）充放电的过程中，通过锂离子穿行来实现电荷的转移。小问题：1）设计上，隔膜宽度为什么要比正负极都宽？2）注液前真空烘烤工序的烘烤温度为什么要求是在80-90°？第十二页，共二十三页，2022年，8月28日3.4电解液主要成分1）溶剂：PC/EC/DEC/EMC/DMC等碳酸酯类的混合物，还有一些添加剂，其中DMC（碳酸二甲酯）的凝固点为4°，沸点为90°。2）溶质：六氟磷酸锂LiPF6.浓度通常为1mol/升。作用：在充放电过程中作为一种媒介，并提供足够多的正电荷。化学特性：1.溶剂：1）低温易凝固，阻抗增加，使导电能力急剧减弱；2）高温易分解，产生许多种复杂的气体组分，电池内部气压升高导致鼓胀漏液，或者内阻升高，电压及容量迅速衰减。2.溶质：LiPF6极易发生水解，产生大量的氢氟酸。LiPF6+H2O-----LiPO3+3HF+LiF小问题：午饭后上班时，手套箱杯子里面的电解液为什么要倒掉？

第十三页，共二十三页，2022年，8月28日3.5极耳组成：金属片+极耳胶金属片的作用：连接电池内部的极片和外部的保护线路或用电器。极耳胶的作用：1）顶封时，通过极耳胶把上下两层铝塑膜粘合起来；2）防止金属片与铝塑膜的铝箔短路。小问题：1）极耳胶的宽度为什么是5mm而不是4mm？2）顶封时，极耳胶外露为什么至少要有0.1mm？第十四页，共二十三页，2022年，8月28日3.6铝塑膜铝塑膜的供应商1）Showa，即昭和电工株式会社。2）DNP，即大日本印刷株式会社。铝塑膜的结构铝塑膜的作用：小问题：为什么顶侧封的温度是180—210°？小问题：DNP铝塑膜封印厚度150-170um是否合理？40um30um30-35um5um5um第十五页，共二十三页，2022年，8月28日3.7圆柱盖帽盖帽的结构1）铁帽2）PTC3）大铝片4）小铝片5）胶圈小问题：1）盖帽来料为什么要均匀涂胶水？2）高倍率电池的盖帽为什么没有PTC？3）短路测试通不过时，为什么设计上在极耳外面焊接一个PTC就可以通过测试？第十六页，共二十三页，2022年，8月28日4电池的主要性能（1）4.1容量的影响因素1）正极偏轻（材料偏少）2）负极比例不够，导致正极容量发挥不出来3）负极未包住正极，析锂导致容量损失4）电解液性能不好，或电解液量不足5）隔膜孔隙率太小，锂离子难以穿过6）内部短路导致漏电流偏大7）过充/过放导致正负极或隔膜严重损伤8）鼓胀或漏液第十七页，共二十三页，2022年，8月28日4电池的主要性能（2）4.2内阻的影响因素1）电解液电导率2）隔膜孔隙率3）正负极材料的导电性4）正负极材料结构及其稳定性5）涂布面密度及压实密度6）电芯的卷绕结构，容量7）虚焊8）断片9）鼓胀或漏液10）盖帽内部脏污11）内部短路第十八页，共二十三页，2022年，8月28日4电池的主要性能（3）4.3电压衰减1）烧极耳2）内部微短路3）过充过放，过流4）鼓胀5）保护板漏电流大第十九页，共二十三页，2022年，8月28日4电池的主要性能（4）4.4鼓胀的影响因素1）电芯内部水含量高2）外部短路3）内部短路4）过充，过放，过流5）温度过高，导致电解液分解6）封口不良，水汽进入7）电解液严重不够第二十页，共二十三页，2022年，8月28日4电池的主要性能（5）4.5起火/爆炸的主要原因1）内部短路（如圆柱电芯正极耳碰壁，封口短路等）