电池基础知识

电池基础知识（集全版）

电池基础知识（集全版）

电池基础知识<1>

1、一次电池和充电电池有什么区别？

电池内部的电化学性决定了该类型的电池是否可充，根据它们的电

化学成分和电极的结构可知，真正的可充电电池的内部结构之间所

发生反应是可逆的。

理论上，这种可逆性是不会受循环次数的影响，既然充放电会在电

极体积和结构上引起可逆的变化，那么可充电电池的内部设计必须

支持这种变化，既然，一次电池仅做一放电，它内结构简单得多且

不需要支持这种变化，因此，不可以将一次电池拿来充电，这种做

法很危险也很不经济，如果需要反复使用，应有尽有选择真正的循

环次数在1000次左右的充电电池,这种电池也可称为一次电池或蓄

电池。

2、一次电池和二次电池还有其他的区别吗？

另一明显的区别就是它们能量和负载能力，以及自放电率，二次电

池能量远比一次电池高，然而他们的负载能力相对要小。

3、可充电便携式电池的优缺点是什么？

充电电池寿命较长，可循环1000次以上，虽然价格比干电池贵，但

如果经常使用的话，是比较划算的。充电电池的容量比同规格的碱

锦电池或锌碳电池低，比如，他们放电较快。

另一缺点是由于他们几近恒定的放电电压，很难预测放电何时结束。

当放电结束时，电池电压会突然降低。假如在照相机上使用，突然

电池放完了电，就不得不终止。

但另一方面可充电电池能提供的容量比太部分一次电池高。

但Li-ion电池却可被广泛地用照相器材中，因为它容量高，能量密

度大，以及随放电深度的增加而逐渐降低的放电电压。

4、充电电池是怎样实现它的能量转换？

每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存的化学能直接转换成

电能，就二次电子（也叫蓄电池）而言（另一术语也称可充电使携

式电池），在放电过程中，是将化学能转换成电能；而在充电过程

中，又将电能重新转换成化学能。这样的过程根据电化学系统不同,

一般可充放电500次以上，而我司产品li-ion可重复充放电1000次

以上。Li-ion是一种新型的可充电便携式电池。它的额定电压为3.

6V,它的放电电压会随放电的深度逐渐衰退，不象其他充电电池一

样，在放电未，电压突然降低。

5、什么是Li-ion电池？

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，

锂离子处于从正极一负极—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。

6、Li-ion电池有哪几部分组成？

（1）电池上下盖（2）正极——活性物质为氧化锂钻（3）

隔膜——一种特殊的复合膜

（4）负极——活性物质为碳（5）有机电解液（6）

电池壳（分为钢壳和铝壳两种）

7、Li・ion电池有哪些优点？哪些缺点？

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240-25

3Wh/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400Wh/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的25-30%,Ni、MH的30-35%。Li-ion也存在着一定的

缺点，如：

1）电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co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。

8、什么是锂离子制造过程？

1）配料

用专门的溶液和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高

速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。

2）涂漠

将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正负极

极片。

3）装配

按正极片——隔膜——负极片——隔膜自上而下的顺序放好，经卷

绕制成电池极芯，在经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池

装配过程。制成成品电池。

4）化成

用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电

池都进行检测。筛选出合格的成品电池，待出厂。

9、锂离子安全特性是如何实现的？

为了确保Li・ion安全可靠的使用，专家们进行了非常严格、周密

的电池安全性能设计，以达到电池安全考核指标。

1）隔膜135℃自动关断保护

采用国际先进的Celgars2300PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达

到120C的情况下，PE复合膜两侧的膜孔闭合，电池内阻增大，电

池内部升温减缓，电池升温达到135℃时，PP膜孔闭合，电池内部

断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。

2）向电解液中加入添加剂

在电池过充，电池电压高于4.2V的条件下，电解液添加剂与电解液

中其他物质聚合，电池内阻大幅度增加，电池内部形成大面积断路,

电池不再升温。

3）电池盖复合结构

电池盖采用刻痕防爆球垢构，电池升温时，电池内部活化过程中所

产生的部分气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度刻痕破裂、

放气。

4）各种环境滥用测试

进行各项滥用实验，如外部短路、过充、针刺、冲击、焚烧等，考

察电池安全性能。同时对电池进行温度冲击实验和振动、跌落、冲

击等力学性能实验，考察电池在实际使用环境焉的性能情况。

9、什么充电限制电压？额定容量？额定电压？终止电压？

A、充电限制电压

按生产厂家规定，电池由恒流充电转入恒压充电时的电压值。

B、额定容量

生产厂家标明的电池容量，指电池在环境温度为20℃±5℃条件下，

以5h率放电至终止电压时所应提供的电量，用C5表示，单位为A

h（安培小时）或mAh（毫安小时）。

C、标称电压

用以表示电池电压的近似值。

D、终止电压

规定放电终止时电池的负载电压，其值为n*2.75V（锂离子单体电池

的串联只数用"n”表示）。

10、为什么恒压充电电流为逐渐减少？

因为恒流过程终止时，电池内部的电化学极化然保持再整个恒流

中相同的水平，恒压过程，再恒定电场作用下，内部Li+的浓差极

化在逐渐消除，离子的迁移数和速度表现为电流逐渐减少。

11、什么是电池的容量?

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规定电池在常温、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=l

000mAh）o

12、什么是电池内阻？

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。

13、什么是开路电压？

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。

14、什么是工作电压?

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。

15、什么是放电平台？

放电平台是恒压充到电压为4.2V并且电电流小于0.01C时停充

电，然后搁置10分钟，在任何们率的放电电流下下放电至3.6V时

的放电时间。是衡量电池好坏的重要标准。

16、什么是（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

放电深度：与电池额定容量比较，放电量的比率。

•过充（放）电：指超过电池规定的充（放）电状态，若继续充（放）

电可能造成电池漏液或劣化。

•能量密度：指单位体积或单位质量所释放的能量，一般用体积能量

密度（wh/1）和质量能量密度（wh/kg）表示。

•自放电：电池充满电之后，在与外电路没有接触和常温放置的条件

下，其电容量会自然衰减。在储存过程中，电池蓄电容量会逐渐下降,

其减少的容量与额定容量的比例，称为自放电率。通常，环境温度对

其影响较大，过高温度会加速电池的自放电。电池容量衰减（自放电

率)的表达方法为：％/月。银镉、银氢电池的自放电率为20-25%/

月，锂电池的自放电率为2-5%/月。

对于锂离子电池安全性能的考核指标，国际上规定了非常严格的标

准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足以下条件：

(1)短路：不起火，不爆炸

(2)过充电：不起火，不爆炸

(3)热箱试验：不起火，不爆炸(150℃恒温lOmin)

(4)针剌：不爆炸(用中3mm钉穿透电池)

(5)平板冲击：不起火，不爆炸(10kg重物自1M高处砸向电池)

(6)焚烧：不爆炸(煤气火焰烧烤电池)锂离子电芯的反应机理是

随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内

部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳定。其反应示意

图及基本反应式如下所示：

二、电芯的构造

电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，

负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的

负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。

根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2,其中

LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走XLi后,

其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。通过研究

发现当X>0.5时Lil-XCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型

瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过

限制充电电压来控制Lil-XCoO2中的X值,一般充电电压不大于4.2V

那么X小于0.5,这时Lil-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其

本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到

负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一

部分Li留在负极C6中，心以保证下次充放电Li的正常嵌入，否则

电芯的压倒很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限

制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压S4.2V,放

电下限电压22.5V。

三、电芯的安全性

电芯的安全性与电芯的设计、材料及生产工艺生产过程的控制等因素

密切相关。在电芯的充放电过程中，正负极材料的电极电位均处于动

态变化中，随着充电电压的增高，正极材料（LixCoO2）电位不断上

升，嵌锂的负极材料（LixC6）电位首先下降，然后出现一个较长的

电位平台，当充电电压过高（＞4.2V）或由于负极活性材料面密度相

对于正极材料面密度（C/A）比值不足时,负极材料过度嵌锂，负极电位

则迅速下降，使金属锂析出（正常情况下则不会有金属锂的的析出），

这样会对电芯的性能及安全性构成极大的威胁。电位变化见下图：

在材料已定的情况下，C/A太大，则会出现上述结果。相反，C/A太

小，容量低，平台低，循环特性差。这样，在生产加工中如何保证设

计好的C/A比成了生产加工中的关键。所以在生产中应就以下几个

方面进行控制：

1.负极材料的处理

1）将大粒径及超细粉与所要求的粒径进行彻底分离，避免了局部电化

学反应过度激烈而产生负反应的情况，提高了电芯的安全性。

2）提高材料表面孔隙率，这样可以提高10%以上的容量，同时在C/A

比不变的情况下，安全性大大提高。处理的结果使负极材料表面与电

解液有了更好的相容性，促进了SEI膜的形成及稳定上。

2.制浆工艺的控制

1）制浆过程采用先进的工艺方法及特殊的化学试剂，使正负极浆料各

组之间的表面张力降到了最低。提高了各组之间的相容性，阻止了材

料在搅拌过程“团聚”的现象。

2）涂布时基材料与喷头的间隙应控制在0.2mm以下，这样涂出的极板

表面光滑无颗粒、凹陷、划痕等缺陷。

3）浆料应储存6小时以上，浆料粘度保持稳定，浆料内部无自聚成团

现象。均匀的浆料保证了正负极在基材上分布的均匀性，从而提高了

电芯的一致性、安全性。

3.采用先进的极片制造设备

1）可以保证极片质量的稳定和一致性，大大提高电芯极片均一性，降

低了不安全电芯的出现机率。

2）涂布机单片极板上面密度误差值应小于±2%,极板长度及间隙尺寸

误差应小于2mm。

3）辐压机的辐轴锥度和径向跳动应不大于4pm,这样才能保证极板厚

度的一致性。设备应配有完善的吸尘系统，避免因浮尘颗粒而导致的

电芯内部微短路，从而保证了电芯的自放电性能。

4）分切机应采用切刀为辐刀型的连续分切设备，这样切出的极片不存

在荷叶边，毛刺等缺陷。同样设备应配有完善的吸尘系统，从而保证

了电芯的自放电性能。

4,先进的封口技术

目前国内外方形锂离子电芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口

技术，它是利用YAG棒（钮铝石榴石）激光谐振腔中受强光源（一

般为氮灯）的激励下发出一束单一频率的光（X=1.06mm）经过谐振

折射聚焦成一束，再把聚焦的焦点对准电芯的筒体和盖板之间，使其

熔化后亲合为一体，以达到盖板与筒体的密封熔合的目的。为了达到

密封焊，必须掌握以下几个要素：

1）必须有能量大、频率高、聚焦性能好、跟踪精度高的激光焊机。

2）必须有配合精度高的适用于激光焊的电芯外壳及盖板。

3）必须有高统一纯度的氮气保护，特别是铝壳电芯要求氮气纯度高，

否则铝壳表面就会产生难以熔化的AI2O3（其熔点为2400℃）。四、

电芯膨胀原因及控制

锂离子电芯在制造和使用过程中往往会有肿胀现象，经过分析与研

究，发现主要有以下两方面原因：

1锂离子嵌入带来的厚度变化

电芯充电时锂离子从正极脱出嵌入负极，引起负极层间距增大，而出

现膨胀，一般而言，电芯越厚，其膨胀量越大。

2.工艺控制不力引起的膨胀

在制造过程中，如浆料分散、C/A比离散性、温度控制都会直接影响

电芯电芯的膨胀程度。特别是水，因为充电形成的高活性锂碳化合物

对水非常敏感，从而发生激烈的化学反应。反应产生的气体造成电芯

内压升高，增加了电芯的膨胀行为。所以在生产中，除了应对极板严

格除湿外，在注液过程中更应采用除湿设备，保证空气的干燥度为

HR2%,露点（大气中的湿空气由于温度下降，使所含的水蒸气达到饱

和状态而开始凝结时的温度）小于・40℃。在非常干燥的条件下，并

采取真空注液，极大地降低了极板和电解液的吸水机率。

五、铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较

铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势，以下是不同的压力实验：

注：压力是电芯压力为电芯内部之压力（单位：Kg）,表内数据为

电芯之厚度（单位：mm）由此可见钢壳对内压反映十分迟钝，而铝壳

对内压反应却十分敏锐。因此从厚度上就基本能判断出电芯的内压，

而钢壳电芯往往隐含着内压带来的不安全隐患。其中钢壳电芯型号为

063448c

第三节锂离子电池保护线路（PCM）

由第二节锂离子电芯的知识我们可以看出，锂离子电池至少需要三重

保护-一过充电保护，过放电保护，短路保护，那么就应而产生了其保护

线路,那么这个保护线路针对以上三个保护要求而言：

过充电保护：过充电保护IC的原理为：当外部充电器对锂电池充电

时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。此时，

保护