锂电池基础知识科普

锂电池基础知识

Black汇报目录电池基础知识正极材料负极材料隔膜电解液其它材料电池测试知识公司电池产品电池基础知识2什么是电池？化学电源俗称为电池，是一种利用物质的化学反应所释放出来的能量直接转化为电能的装置。任何电池都由四个部分组成，即由电极、电解质、隔离物及外壳组成。隔离物正负极板（电极）外壳电池基础知识所有电池都是可以提供动力的，只是大与小的关系（较大规模的储能装置可以超过GWh，而应用与蓝牙耳机或者手机电池上的电池仅为0.1-5Wh)，因此只要是可以称之为能量储存的载体都可以被称为动力电池；两种不同的极板在均相或者异相的介质中，由于存在并产生的电势差，在外加负载的驱动下，发生氧化还原反应，内部电流的移动产生电流。如果电化学反应可以逆转则定义为二次电池，如果不可逆则定义为一次电池（原电池）！储能装置分类电池/化学储能装置分类电池基础知识几种常见的锂离子电池；锂离子电池分类图电池基础知识容量Ah能量Wh电池单体Cell电池模组Module电池系统System质量能量密度Wh/kg体积能量密度Wh/L循环寿命Cyclelife日历寿命Calendarlife直流内阻DCR交流内阻ACR开路电压OCV放电平台DP恒流恒压充电CC/CV

了解锂离子电池的基本结构以及对于锂离子电池的性能表征术语有助于对锂离子电池基本知识有一个初步的掌握！电池基础知识6铅酸电池镍氢电池锂离子电池比能量(wh/kg)35~4075~80100~190比功率(w/kg)50160~230280~320体积比能量(wh/L)80100~200250~500电压(V)21.23.2~3.7工作温度(℃)0~60-20~60-20~60自放电率(%)4~530~35<5循环寿命300~500次500~1000次500~5000次优点原材料丰富，价廉，技术成熟高倍率放电好，耐过充，寿命长，安全性好能量密度高，工作电压高，输出功率大，自放电小，寿命长缺点比能量低，寿命短，耐过充放差，污染环境工作电压低，自放电率高成本较高，需防止过充放电，安全性能较低不同电池性能对比电池基础知识锂离子电池的特点能量密度高相同的体积，它的重量轻；相同的重量，它的体积小使用寿命长可重复使用几百到几千次电性能稳定（自放电小）镍氢电池储存时间长电量损失会很大，而锂离子电池则几乎没有什么电量损失无污染符合绿色环保的要求无记忆效应镍隔电池等每次需要把电全部放完才能再充电，否则就充不满；而锂离子电池不需要将电全部放完，“想充就充”电池基础知识

锂离子电池的应用电动自行车电动汽车便携式电器驱动电源电动工具电动大巴电网调峰储能电源风光互补电池基础知识单体锂电池的组成正极片：活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂、基体负极片：活性物质、导电剂、粘结剂、溶剂、基体外壳、隔膜、电解液等其他材料。电池基础知识其他材料外壳电解液高温胶带隔膜电池基础知识活性物质：LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4以及三元复合等材料。导电剂：SP、KS系列、VGCF、CNTs等。粘结剂：PVDF系列、聚氨酯树脂等水性系列。溶剂：NMP、水。基体：铝箔。正极片相关物料电池基础知识负极片相关物料活性物质：石墨、钛的氧化物、合金材料以及碳纳米管等材料。导电剂：SP、KS系列、VGCF、CNTs等。粘结剂：CMC+SBR溶液、聚氨酯树脂等水性系列。溶剂：水。基体：铜箔。正极材料

作为理想的锂离子电池正极材料，锂离子嵌入化合物必须满足以下要求：（1）具有较高的氧化还原电位，保证锂离子电池的高电压特性；（2）允许大量的锂离子嵌入脱出，保证锂离子电池的高容量特性；（3）嵌入脱出过程的可逆性好，充放电过程中材料结构变化较小；（4）锂离子能够快速的嵌入和脱出，有高的电子导电率和离子导电率；（5）在电解液中化学稳定性好；（6）低廉，容易制备，对环境友好等。目前动力电池应用最多的材料是三元、LiFePO4等。正极材料

锂离子电池不同正极材料的比较项目钴酸锂三元材料锰酸锂磷酸铁锂理论比容量(mAh/g)274273148170实际比容量1C(mAh/g)145150110145工作电压(V)3.73.63.83.2压实密度(g/cc)4.03.52.82.3循环寿命5008005002000价格高较高低较低安全性差较好好很好应用领域小型电池小型电池动力电池动力电池动力电池正极材料钴酸锂磷酸铁锂三元材料锰酸锂正极材料负极材料不同碳材料在结晶度、粒度、孔隙度、微观形态、比表面积、表面官能团、杂质等多方面存在差异，对其结构特征、化学性质与电化学行为的关系进行了广泛研究。石墨化碳无定形碳天然石墨人工石墨碳纤维石墨化中间相碳微球（软碳）：焦炭中间相碳微球（硬碳）：高分子热解碳负极负极材料中间相碳微球天然石墨人造石墨钛酸锂负极材料C…LiC（≥36）LiC（≥27）LiC（12）LiC（6）充电隔膜隔膜的主要功能

在电池内部将正、负极板分隔开来，防止 两极接触造成短路

有允许电解质中离子通过的能力

有保持电解液的能力

有一定保护电池安全的能力隔膜对电池性能的影响电池的内阻电池的容量电池的安全性电池的成品率隔膜隔膜的分类

按材料分 PP、PE、PP/PE复合

按制造方法分 干法、湿法按结构分 单层PP、PE

双层PP、PE

三层PP/PE/PP制造方法干法湿法单向拉伸法吹膜法双向拉伸法代表厂家日本宇部深圳星源台湾高银美国Celgard新乡格瑞恩桂林新时日本：Asahi，Tonen，Nitto，三井美国：Entek韩国：Wide、W-Able、SK、W-scope中国：佛山金辉隔膜PPPEPP/PE/PP结构单层、双层单层、双层三层生产方法干法干法、湿法干法优点机械强度高耐热性好透过性好均匀性好安全性好（闭孔温度约130℃）综合了PP、PE膜优点，机械强度好，安全性更高缺点安全关断性能不如PE（闭孔温度＞150℃）耐高温性能不如PP高温透过性差应用范围一次电池、二次电池、大功率电池二次电池高端二次电池不同材质和结构隔膜的特点隔膜Dry(Celgard)Wet（Tonen）隔膜

锂离子电池对隔膜性能的要求

隔膜的质量直接地影响了电池的安全性能及容量等 △化学稳定性----电解液为有机溶剂体系，耐有机溶剂 △机械性能

----隔膜的拉伸强度高，穿刺强度高 △热稳定性

----收缩率低，具有较低的闭孔温度和较高的破膜温度 △透过率好

----孔隙率高，孔径分布均匀、透气性好 △表面无静电

-----不吸尘、易分离 △电解液浸润性

-----与电解液相容性好，吸液率高 △均匀性

----厚度、透过率、热收缩等隔膜PVDF勃姆石氧化铝PVDFPVDF+陶瓷PVDF+陶瓷陶瓷隔膜涂胶隔膜涂胶陶瓷隔膜涂层隔膜隔膜隔膜Ceramiccoating增强隔膜的耐刺穿强度、增强其吸液率、增强高温下的形貌控制等是提高电池安全的前提！

隔膜耐高温性：陶瓷涂层具有优异的耐高温特性，180℃以上还能保持隔膜形态。高安全性：陶瓷涂层中和电解液中游离的HF，提升电池耐酸性，减少锂枝晶的穿透。高倍率性：陶瓷涂层中Al2O3在锂电池中可形成固溶体，提高电池的倍率性和循环性。低容量损失：陶瓷涂层中Al2O3可抑制氧的生成和LiPF6的分解，减少电化学比容量损失。良好浸润性：陶瓷涂层改善了电解液的浸润，提高吸液量和保液量。低自放电率：陶瓷涂层增加了微孔曲折度，降低自放电率。循环寿命长：陶瓷涂层降低了循环过程中的机械微短路，有效提升循环寿命。

陶瓷涂覆隔膜优势隔膜优点高安全性高能量密度电池界面良好低自放电高保液量长循环寿命涂胶陶瓷隔膜兼具陶瓷隔膜安全性和粘性隔膜的粘结性，在卷绕、叠片电池中均已批量化应用（LG化学&ATL）涂胶隔膜LG化学-卷绕式叠片既具有卷绕型电池的高效，

又具有叠片电池的高性能！隔膜图1PE材料的峰值在130℃左右内阻直线上升图2隔膜材质与热特性1隔膜PE材料峰值PP材料的峰值图3图4TMADATA隔膜电解液电解液电解液简介电解液是以适当锂盐溶解在有机混合溶剂中的溶液。一般为1mol/L锂盐的混合碳酸酯构成。锂离子电池电解质液体电解质固体电解质液固复合电解质有机液体电解质室温离子液体电解质固体聚合物电解质无机固体电解质凝胶电解质电解液电解液对电池性能的影响：6.对电池自放电的影响1.对电池容量的影响2.对电池内阻及倍率充放电性能的影响3.对电池操作温度范围的影响4.对电池储存和循环寿命的影响5.对电池安全性的影响电解液1.对电池容量的影响a.表现为电极与电解液的相容性。可逆容量高，电池容量损失大，容量不能正常发挥。2.对电池内阻及倍率充放电性能的影响R＝Rs（物理内阻）＋Ref（电极/电解液界面内阻）＋Rf（极化内阻）a.电解液离子导电内阻远大于电子导电内阻。b.Ref明显高于Rs，是锂离子电池内阻的重要组成部分。倍率充放电性能取决于Li＋在电极材料中的迁移率、电解液的电导率、电极/电解液相界面的锂离子迁移性，后两者与电解液性质和组成密切相关。电解液4.对电池储存和循环寿命的影响a.电极活性物质在充放电过程中的活性比表面不断减小，电池工作是的电流密度增大，电池内阻逐渐升高。b.电极集流体腐蚀，电极上的活性物质脱落或转移，失去应有的电化学活性。3.对电池操作温度范围的影响a.低温时，电解液电导率下降，锂离子无法迁移，电池性能明显下降，甚至无法使用。b.高温时，电极反应加剧，但电极/电解质相界面的副反应也同时被加剧，对电池有较大破坏性，影响电池性能。电解液过充时，负极表面发生金属锂沉积，正极表面出现电解质在高电位条件下的氧化分解，电池发生热失控。主要仍然是电解液本身的挥发性和高度的可燃性。5.对电池安全性的影响6.对电池自放电的影响a.负极的自放电。主要源于负极的锂以Li＋形式拖出或进入电解质，其速率取决于负极的表面状况和表面催化活性，而负极的表面状况受电解质的影响十分明显，优化电解液体系可减小电池的自放电。b.正极的自放电是指电解液中的锂离子嵌入到正极材料的晶格中，而引发正极的自放电。主要是正极/电解质的界面性质。c.杂质是造成自放电的重要原因。因为杂质的氧化电位一般低于锂离子电池的正极电位，易在正极表面氧化，氧化物又在负极还原，不断消耗正负极活性物质，引起自放电。Back电解液有机电解液的性能要求1，离子电导率高2，电化学稳定的电位范围宽3，热稳定性好，工作温度范围宽4，化学稳定性好，与集流体及活性物质不反应5，无毒，无环境污染6，价格便宜电解液有机溶剂（解离锂盐、提供Li+传输介质）添加剂（少量使用，改善性能）锂盐（提供载流子：Li+）电解液锂盐分类分子式备注无机阴离子盐LiPF6应用最广LiBF4

不稳定，电导率低LiClO4

高温或高电压危险LiAsF6有毒有机阴离子盐LiCF3SO3，LiN(C2F5SO2)2,LiC(CF3SO2)3LiN(CF3SO2)2等

腐蚀集流体LiPF3(C2F5)3,Li(C4F9SO2)(CF3SO2)N等合成困难或价格昂贵LiBOB等成膜性能好，溶解度低解离常数大小为LiN(CF3SO2)2>LiAsF6>LiPF6>LiClO4>LiBF4>LiCF3SO3

离子导电性大小为LiAsF6>LiPF6>LiN(CF3SO2)2>LiClO4>LiBF4>LiCF3SO3

热稳定性顺序为LiAsF6～LiCF3SO3>LiBF4>LiClO4

～LiN(CF3SO2)2>LiPF6

电解液电解液有机溶剂锂离子电池所用的有机溶剂为不与锂反应的非质子溶剂常用有机溶剂1.烷基碳酸酯alkylcarbonate

碳酸乙烯酯EC,碳酸丙烯酯PC,

碳酸二甲酯DMC,碳酸二已酯DEC,EMC等2.醚ether

二甲醚DME,

四氢呋喃THF等3.酯ester

甲基已酸酯MA

甲基丙酸酯MP等电解液添加剂

特点：(1)较少用量即能改善电池的一种或几种性能；(2)对电池性能无副作用，不与电池中其它材料发生副反应；(3)与有机溶剂有较好的相溶性，甚至能完全溶于其中；(4)价格相对较低；(5)无毒性或毒性较小。用量少，见效快电解液多功能添加剂阻燃添加剂过充电保护添加剂SEI成膜添加剂导电添加剂控制电解液中水和HF含量的添加剂改善高低温性能的添加剂添加剂的种类电解液固体添加剂；Li2CO3

等无机成膜添加剂碳酸酯有机成膜添加剂气体添加剂；CO2,SO2等硫代有机溶ES亚硫酸乙烯酯等卤代有机成膜添加剂卤代EC氯甲酸甲酯等VC：碳酸亚乙烯酯等成膜添加剂SEI成膜添加剂电解液稳定剂与H2O或HF作用，降低H2O与LiPF6的作用改善高低温性能的添加剂导电添加剂与锂离子或者锂盐阴离子作用，减小Li+与阴离子间的相互作用，增加Li+迁移数，减小阴离子迁移数和降低阴离子电化学活性过充电保护添加剂具有氧化还原电对：邻位和对位二甲氧基取代苯；聚合增加内阻，阻断充电，如联苯、环己基苯等等电解液阻燃添加剂高沸点、高闪点和不易燃的溶剂如：磷酸三甲酯，磷氮烯(Phosphazene)(1)有机磷化物(2)有机氟代化合物如：CH2F-EC、CHF2-EC和CF3-EC(3)卤代烷基磷酸酯烷基磷酸酯中的部分氢原子用氟原子取代多功能添加剂具有上述一种或多种功能的添加剂导电剂什么是导电剂？导电剂——导电添加剂特点：添加量少

导电性好：活性物质电子传递的重要枢纽导热性好(特别是石墨)

无毒环境友好化学稳定性高纯度相对低的制造成本导电剂锂离子电池中为什么要加导电剂？添加目的：使电池活性材料中形成有效的导电网络。正极：理想状态下应是离子和电子的混合导体。活性材料为过渡金属氧化物，导电性一般都不佳。导电剂导电剂的种类导电剂纤维状导电剂颗粒状导电剂乙炔黑(AB)炭黑(KB)

石墨（ks-6）

金属纤维气相生长碳纤维(VGCF)碳纳米管CNTs导电剂导电剂导电剂的导热系数：Super-P：200W/(mK)VGCF：1200-2000W/(mK)CNTs：3000-3500W/(mK)Graphene：4000-6500W/(mK)电池设计工程师以不断的降低电池内阻为电池设计的终极目的，一方面要降低电池的产热量；另一方面，导热也是非常重要的！VGCFCNTsGraphene200nm石墨烯性能特点：

TheoryBET：2600m2/gvs.CNT200g/m2提高材料的吸液保液能力优异的导热性能3000W/(m·K)室温下高速的电子迁移率15000cm2/(V·s)达到了光速的1/300提高电子的传输速度超强的力学性能1060Gpa凭借石墨烯优异的导电性能，我们对其作为导电添加剂应用于锂离子电池进行了开发和研究。缺点：石墨烯片易回叠，增加分散难度

石墨烯二维中，其中一维方向只导电子不导离子石墨烯LiFePO4Graphene石墨烯基于其“至薄至柔”的结构特征，石墨烯可以通过“面-点”的接触模式在活性材料颗粒中形成有效导电网络，再加上较大的比表面积和电导率，与传统导电添加剂相比，具有非常高的导电效率。完全分离的石墨烯分散在LiFePO4颗粒中间，呈现非常薄并且柔性的二维片层，可以很容易地通过相互搭接而在LiFePO4颗粒之间形成导电网络，而导电炭黑颗粒是近乎零维的球形颗粒，需要在电极内部通过大量聚集形成导电网络，所以构成有效导电网络时需要量要远大于石墨烯材料。石墨烯导电剂2.2.石墨烯导电剂应用优势53石墨片/石墨烯点-面炭黑点-点CNTs点-线初代导电剂二代导电剂三代导电剂离域π键，CNTs与石墨烯为sp2结构，导电能力显著优于炭黑sp3结构导电面积，相同层数的CNTs与石墨烯，石墨烯导电面积≈2CNTs

有效导电，相对于CNTs，石墨烯可卷曲依附于活性物质表面，形成更均一的导电网络极片压实，导电剂用量降低，且依附于活性物质颗粒表面，极片压实具备提升空间石墨烯导电剂石墨烯导电浆料系列名称编号导电剂（%）粘度(mPa·s)2%添加在LFP正极中电阻率（Ω·cm）金属杂质（ppm）石墨烯复合导电浆料HX-G65±0.21500~2500≤20Fe,Co,Cu,Zn,Cr,Ni单元素≤20总量≤40石墨烯导电浆料HX-GS-14±0.215000~20000≤10Fe,Co,Cu,Zn,Cr,Ni单元素≤10总量≤20高导电性、高纯度优异的分散体系避免现有出现同类产品易沉降、高温循环差等问题产能：10000吨/年用途：锂离子二次电池正极导电剂，专门针对于LFP正极-Confidential-石墨烯导电剂HX-G6复合导电剂添加到LFP中电池测试知识测试标准：GB,UL,UN38.3等；测试内容：电性能测试：循环、低温、高温、倍率等；安全性能测试：过充、过放、针刺、挤压等；电池测试知识测试样品电池性能测试项目测试温度测试方法单体及模组放电性能容量/能量测试-放电55℃

电池单体放置环境仓中，调节环境仓温度并充分静置，至电池内部温度为55℃、25℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃，将电池单体按1C放电至Vmin后停止放电，记录不同温度下的放电容量和放电能量及电池表面温度。（注-20℃放电至0.8Vmin后停止放电）25℃0℃-20℃倍率充电性能倍率充电曲线（倍率充电温度)25℃电池单体放置环境仓中，调节环境仓温度并充分静置，至电池为25℃，将空电态的电池单体以不同倍率恒流充电至Vmax，恒压至0.05C后停止充电，记录不同温度下、不同倍率下的充电测试数据。（测试过程同步记录电池表面温度变化）倍率放电性能倍率放电曲线（倍率放电温度)25℃电池单体放置环境仓中，调节环境仓温度并充分静置，至电池为25℃，将电池单体以不同倍率放电至Vmin后停止放电，记录不同温度下、不同倍率下的放电测试数据。（测试过程同步记录电池表面温度变化）功率性能HPPC25℃以0℃测试为例：在电池单体满电状态下然后以0℃下单体电池1C放电容量为参照，放10%SOC的电，静置1h；再用5C放电10s，搁置40s，用3.75C充电40s，在以0℃下单体电池1C放电容量为参照调节SOC值，总计放出10%SOC的电，静置1h。放电至第10个10%的容量结束。以此类推测试不同SOC值下的HPPC，通过计算出不同SOC下的内阻DCR和功率值P。0℃-20℃搁置性能室温荷电保持及容量恢复能力25℃1）满电态电池在25℃下存储28d，按1C恒流放电至Vmin，计量荷电保持容量。2）满电态电池按1C恒流放电至Vmin，计算恢复容量。高温荷电保持及容量恢复能力55℃1）满电态电池在55℃下存储7d，按1C恒流放电至Vmin，计量荷电保持容量。2）满电态电池按1C恒流放电至Vmin，计算恢复容量。存储45℃以半电态电池在45±2℃下静置28d，在室温下搁置5h，按1C恒流放电至Vmin，搁置1h，按0.5C恒流充电至Vmax，恒压充至0.05C充满电后再以1C恒流放电至Vmin，计算放电容量。电池测试知识测试样品测试项目测试温度测试方法单体循环寿命性能55℃按1C恒流放电至Vmin，搁置10min，按1C恒流充电至