锂离子电池应用技术交流

锂离子电池山东鲁能智能技术有限公司应用技术交流会主讲人：慕忠君CONTENT目录一锂离子电池开展概况二锂离子电池分类与特点三锂离子电池成组方法及其可靠性比较四锂离子电池平安性分析五六锂离子电池应用常见问题一锂离子电池开展概况〔一〕锂离子电池俗称“锂电〞，是目前在实际应用中综合性能最好的电池体系。锂离子电池的研究始于20世纪80年代末，自20世纪90年代问世并得到了迅猛开展，尤其在小型二次电池市场〔如笔记本、、电开工具、电动玩具等〕中得到了快速推广与应用，到目前位置，已占据了二次电池市场最大份额。一锂离子电池开展概况〔二〕锂离子电池应用范围日益广泛一锂离子电池开展概况〔三〕动力型锂离子电池一锂离子电池开展概况〔四〕锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、极耳〔或柱〕等局部组成。按照正极材料的不同，锂离子电池主要分为：钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池及镍钴锰三元锂离子电池四大类；按照包装材料的不同，锂离子电池主要分为：软包装、铝壳包装、钢壳包装；按照外部形状的不同，锂离子电池主要分为：方形锂离子电池、圆柱形锂离子电池；二锂离子电池分类与特点〔一〕二锂离子电池分类与特点〔二〕锂离子电池正极材料特点比较二锂离子电池分类与特点〔三〕锂离子电池特点比较二锂离子电池分类与特点〔四〕

软包装

方形

圆柱锂离子电池结构二锂离子电池分类与特点〔五〕锂离子电池结构特点三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔一〕锂离子电池组装方式并联串联串并联组合，分为先串后并和先并后串

并联：电池电压不变，容量累加，可获得高容量；

串联：电池容量不变，电压累加，可获得高电压；

串并联组合：可获得高电压、高容量；三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔二〕在高容量动力电池组应用方面，通常采用小容量单体电池进行并联成大容量电池组，而非直接采用单体大容量电池。为什么？三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔三〕大容量锂离子电池特点优点组合方便，仅需考虑串联组合指标占优势〔体积能量比、质量能量比等〕电池连接点、焊接点较少，可靠性较高接触内阻较少缺点工艺复杂，合格率低内部电流密度、温度的分布均匀性差局部结构电池，如软包装等，引流能力较差平安性差小容量锂离子电池特点优点电池比外表积大，散热性能好内部电流分布均匀便于工艺控制，一致性较好，单元电池可靠性较高平安系数高电池连接点、焊接点较多，可靠性略差三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔四〕缺点大容量电池需并联应用串并联组合设计复杂，组合本钱高串并联组合体积大，影响实际的局部应用大容量电池与小容量电池内部温度与电流密度比较三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔五〕三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔六〕三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔七〕并联电池的内阻根本一致并联电池的放电平台根本一致并联电池容量根本一致并联电池电压根本一致三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔八〕三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔九〕不同组合方式可靠性的数学模型串联数学模型：并联数学模型：先串后并数学模型：先并后串数学模型：Rs(t)表示系统的可靠度；R=〔1，2，3…，n)表示第i个单元的可靠度。三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔十〕电池串联可靠性分析图1电池串联模型

图1表示一个由n个电池单元组成的串联系统的模型，假设图1中各单元之间是相互独立的，且第i个单元的可靠度为，i＝1，2…n。根据串联系统的定义，结合概率理论，我们可得系统的可靠度为:

三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔十一〕图2电联并联模型

图2表示一个由n个电池单元组成的并联系统模型，假设第i个部件的可靠度为，i＝1，2…n，且各部件之间是相互独立的。那么可得图2的可靠度为：电池并联可靠性分析三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔十二〕图3电池先串后并模型

图3表示一个先由n个电池单元串联，然后再进行m个并联组成的系统模型。对于先串后并系统的可靠度的求法，可先求出各串联分系统的可靠度，再把这些分系统并联起来，求出系统可靠度。那么可得图3的可靠度为：电池先串后并可靠性分析三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔十三〕图4电池先串后并模型

图4表示一个先由m个电池单元并联，然后再进行n个分系统并联组成的系统模型。对于先并后串系统的可靠度的求法，可先求出各并联分系统的可靠度，再把这些分系统串联起来，求出系统可靠度。那么可得图4的可靠度为：电池先并后串可靠性分析三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔十四〕举例：

假设单个电池的可靠度相同且独立，Ri=0.99，100只电池串联，4只电池并联，通过上述可靠度数学模型计算可得：先并后串可靠度：

先串后并可靠度：三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔十五〕结论：在锂离子电池不同串并联成组方法中，采用先并后串组合而成的电池组可靠度较高。

三锂离子电池成组方法及其可靠性比较〔十六〕影响单体电池可靠性的有关因素与各部件的可靠性有关外壳〔r1)、隔膜(r2)、正极片(r3)、负极片(r4)、电解液(r5)等电池的可靠性=r1×r2×r3×r4×r5ו••与工艺控制〔如配料、面密度、毛刺、辊压程度等〕可靠性有关与环境温湿度控制有关

四锂离子电池平安性分析〔一〕本质平安性又称能量平安性，定量地从能量角度描述了能量载体的平安性能，定义如下：1、最小能量单元的能量限制为假设发生燃烧爆炸缺乏以产生损害性后果。2、最小能量单元假设发生燃烧爆炸，其能量不会引起连锁反响。同时具有以上两点的能量载体称其具有本质平安性本质平安性定义〔哈尔滨理工大学〕四锂离子电池平安性分析〔二〕电池是能量的载体，本质上就存在不平安因素；不同的电化学体系，不同的容量，使用工艺参数，使用环境，使用程度，都会对电池平安性产生较大的影响；大局部的平安事故均与热失效有关，应注重温度控制的重要性；所有电池包括一次电池、各类二次电池，均存在平安性问题；电池的平安性是相对的，我们只能不断地改进提高，永远不可能彻底解决；四锂离子电池平安性分析〔三〕四锂离子电池平安性分析〔三〕以3.2V20Ah锂离子电池为例:

20Ah*3.2V=64Wh=230.4KJ

1克TNT

4.20KJ

20Ah锂离子电池的能量

54.9克TNT能量。四锂离子电池平安性分析〔四〕锂离子电池的电解液用量

6mL/AH1克TNT

4.20KJ1Ah电池的电解液能量

178.9KJ1Ah电池的电解液能量

42.6克TNT20Ah电池的电解液能量

852克TNT注意：电解液本身通常不具备直接爆炸条件四锂离子电池平安性分析〔五〕造成锂离子电池不平安的原因电池内部发生短路，造成电池内部热失效；大电流充电、放电；过充电、过放电；电池管理系统故障或管理失效；电池系统零部件接触不良；线缆受力磨损、老化；过高温或过低温环境下使用；电池受震动、碰撞、冲击等因素影响。四锂离子电池平安性分析〔六〕电池平安性随使用循环次数增多而下降随着动力电池使用次数的增多，电池的内阻增大，容量逐渐降低，电池性能会逐渐下降，平安性也随之降低；循环后的电池，其平安性对热干扰更敏感；电池的平安性是相对的，一定循环次数之前的电池平安测试是合格的，而经过一定循环次数后电池将呈现出不平安因素。四锂离子电池成平安性分析〔七〕电池平安性结论电池容量越高，贮存能量越多，平安性越差保护措施外置保护电路，如保护板、电池管理系统等；内装置PTC〔但会增加电池内阻〕；电解液添加阻燃剂〔会影响电池性能〕；金属壳体电池设计泄气阀等；注重热管理的设计外部保护不能解决电池内部问题单体电芯设计；产品质量控制；PACK设计；五锂离子电池应用常见问题〔一〕锂离子电池如何充放电比较合理充放电方式：浅充浅放电池保护板或管理系统上下限保护电压范围较宽，以锰酸锂工作电压2.8V~4.2V为例，保护板上下限保护电压为2.5V~4.35V；过充电或长期满充电，一方面易造成电池出现沉锂；另一方面易促使锂枝晶的生长；过放电或长期满放电，一方面易造成负极石墨晶格发生畸变；另一方面严重时易出现析铜现象；充放电环境：防止高温或低温环境充放，合理温度0℃~45℃；半态储存，即标准容量的40%~60%；

锂离子电池如何储存五锂离子电池应用常见问题〔二〕

五锂离子电池应用常见问题〔三〕原因分析：第一种状态：零电荷储存；负极石墨晶格易塌陷，造成再用容量下降；假设锂电芯安装无0V起充功能的保护板时，当电芯电压降至保护板过放电保护电压以下，电芯自身电压降不能冲开保护板的保护锁定，电池会锁死；第二种状态：满电荷储存；锂离子嵌满负极材料的所有空位，长时间保持这种富锂状态，负极易造成锂沉积；造成负极粘结剂长时间处于膨胀状态容易老化，使其失去粘性和弹性，造成负极集流体脱料，造成电芯容量损失；第三种状态：一定量电荷储存；五锂离子电池应用常见问题〔四〕新购置的锂离子电池如何充电锂离子电池从生产到购置时间较长，3个月以上；自身容量通常低于正常值，只需正常作充放电循环3~5次，容量即可恢复；〔SEI膜的形成〕锂离子电池从生产到购置时间较短，1~3个月左右；可正常使用切勿被“前3次需要充电12个小时以上〞的说法误导。锂离子电池SEI膜定义与作用SEI膜定义在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界面上发生反响,形成一层覆盖于电极材料外表的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体但却是Li+的优良导体,Li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜〞(solidelectrolyteinterface),简称SEI膜。SEI膜作用有效防止有机溶剂共嵌入对电极材料结构造成破坏，从而保护电极材料结构的完整性，同时能够较大提高电极循环性能和使用寿命。

五锂离子电池应用常见问题〔五〕锂离子电池化成的目的激活电池芯内部活性物质；促使形成稳定的SEI膜；