锂电池制造工艺及装备 课件 第2章 锂电池原理与结构

第2章电池原理与结构锂电池制造工艺及装备锂电制造工艺及装备工程思维的方法课程内容介绍课程讲解—知识点1231.工程思维的方法---自我发现探求高效的方法，贯穿学习、工作和生活的过程科学逻辑积累改善目标愿景效率原则方法总结制造业基础标准材料装备智能化教学，不是注满一桶水，而是点亮一把火—叶圣陶1.工程化思维的四个原则—工程哲学产业标准化可积累的改善可持续的发展综合最优化产业的基础原理工程及产业发展的规律，科学原理的综合。积累：经验、方法、习惯、人脉、财富。高效、省力、节能、环保，产业发展定位基准钱学森《工程控制论》1954年。思考的方法。寻优：没有最好，只有更好。1.工作方法---自我总结和激励工作方法相信自己能够改变世界，高效工作，工具箱永不上锁，随时为我所用；懂得何时独立工作，何时相互协作，不仅分享工具，更要分享思想；信任自己的伙伴，时刻求助，拒绝空想，拒绝官僚，因为，这里拒绝所有荒谬；自身能力无限，只要精益求精，挑战不可能，制造世界就属于我们；工作的优劣，让用户判断，新奇的想法并非都是坏想法；要不断尝试新的高效工作方式，每天都必须做出贡献，否则，平凡将永远是平凡，相信事在人为，只需用心协力，不断地创造。

锂电制造工艺及装备工程思维的方法课程内容介绍课程讲解—知识点1232.课程内容介绍3.1电池的分类、特点3.2铅酸电池3.3锂电池及其分类3.4锂离子电池原理与结构3.5锂电池发展趋势及未来3.6钠离子电池锂电制造工艺及装备工程思维的方法课程内容介绍课程讲解—知识点1233.1电池的分类、特点学科分类：化学电池、物理电池和生物电池三大类；电解液种类：碱性电池、酸性电池、有机电解液电池、中性电池、非水无机电解质电池、固体电解质电池工作性质及储存方式划分：一次电池、二次电池电池所用的正负极材料划：锌系列电池、镍系列电池、铅系列电池、锂离子电池、锂锰电池、空气系列电池。电池特性:高容量电池、密封电池、高功率电池、免维护电池、防爆电池。蓄电池，常说的电池是一种化学电源，即能将电能转化为化学能储存，也能通过其内部的化学反应向用电设备供电。一次电池（不可充电电池）™金属锂电池：锂锰电池、锂亚电池、锂铁电池™干电池：锌锰干电池、碱性锌锰电池贮备电池：银锌电池二次电池（可充电电池）™可充电电池：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锌空气电池、液态锂离子电池、聚合物锂离子电池其它电池（只能发电，不能储电）™燃料电池：氢燃料电池、直接甲醇燃料电池™太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、光敏化学太阳能电池，钙钛矿太阳能电池。3.1电池的分类、特点3.1课程讲解--电池的分类、特点电池种类：化学电池、物理电池和生物电池三大类1．化学电池：化学电池是利用物质的化学反应发电，

按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。原电池蓄电池燃料电池储备电池3.12．物理电池：物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。车用动力蓄电池：铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。物理电池：超级电容器用在电动汽车。生物燃料电池：氢燃料电池和氧化物燃料电池。电池的分类、特点3．生物电池：生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池、酶电池、生物太阳电池等。3.1电池的分类、特点1．电压:V,mV

2．容量：Ah,mAh3．内阻:欧姆，4.能量：Wh或kWh

质量比能量：Wh/Kg体积比能量：Wh/L5．功率：W,KW

质量比功率，W/kg

体积比功率，W/L或kW/L6．输出效率:输入与输出之百分比能量效率

容量效率7.放电深度(DOD)8．放电倍率：放电倍率等于放电电流与额定容量之比9．使用寿命：循环次数电池的性能指标

电动汽车对动力电池的要求1．比能量高：2．安全性好:3．比功率大:4．充放电效率高:5．相对稳定性好:6．使用成本低:3.1电池的分类、特点3.1电池发展的历史课程内容3.1电池的分类、特点3.2干电池与铅酸电池3.3锂电池及其分类3.4锂离子电池原理与结构3.5锂电池发展趋势及未来3.6钠离子电池铅酸电池及干电池3.2常用干电池3.2铅酸电池铅酸电池（VRLA），电极：铅及其氧化物，电解液：硫酸溶液。铅酸放电态：正极为二氧化铅，负极主铅；充电态：正负极均为硫酸铅。铅酸的标称电压：2.0V，电压范围1.5V-2.4V；6个单格铅酸电池串联是12V的铅酸电池，还有24V、36V、48V等。3.2锂电与锂电发展的历史铅酸电池的特点：能量密度：30-60WH/Kg;寿命：500次；铅碳：1500次；安全性好!铅是重金属，污染环境；课程内容3.1电池的分类、特点3.2干电池与铅酸电池3.3锂电池及其分类3.4锂离子电池原理与结构3.5锂电池发展趋势及未来3.6钠离子电池3.3锂电池及其分类锂电池是一类由锂化合物或锂金属为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。导致锂离子电池率先产业化。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。1991年索尼正式量产现代锂离子电池。3.3锂电池及其分类锂离子电池：锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。充电正极上发生的反应为：LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(电子)充电负极上发生的反应为：6C+xLi++xe-

=LixC6充电电池总反应：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6锂金属电池：锂金属电池一般是使用二氧化锰（硫）为正极材料、金属锂或其合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电反应：Li+MnO2=LiMnO2锂电池与其他二次电池的对比3.3二次电池分类锂离子电池镍氢电池镍镉电池铅酸电池正极体系锂过渡金属氧化物氢氧化亚镍氢氧化亚镍二氧化铅负极体系石墨等层状物储氢合金氧化镉海绵铅隔膜体系PP/PEPP或PEPP尼龙玻璃纤维棉电解液体系有机锂盐电解液KOH水溶液KOH水溶液稀硫酸标称电压3.0~3.71.21.22.0体积能量密度350~600wh/l320~350wh/l160~180wh/l65~wh/l重量能量密度180~300wh/kg60~65wh/kg40~45wh/kg25~30wh/kg电池原理离子迁移氧化还原氧化还原氧化还原充放电方法恒流恒压充电恒流充电恒流充电恒流充电充电终点控制恒流/限压恒流限时恒流限时恒流稳压安全性有一定隐患安全安全安全环保环保环保镉污染铅污染最佳工作温度0℃~45℃-20℃~45℃-20℃~60℃-40℃~70℃价格（元/wh）0.7~0.8/wh3.5~4.0/wh2.2~2.8/wh0.7~1.0/wh充电器成本高（恒流恒压）一般（控制恒流源）一般（控制恒流源）低（稳压源）高能量密度：质量比能量，150～300Wh/kg～500Wh/kg；

体积比能量，250～790Wh/L～1300Wh/L。 开路电压高：可达3.2～4.2V。 

输出功率大：可达300～5000W/kg(@20秒)。 无记忆效应:无记忆效应，可随时充放电，使用维护简便。

不要每次把电用完才充电！！！低自放电：<5％～10％/月。工作温度范围宽：可在-20℃～60℃之间正常工作。充、放电速度快；0.2C～5C。--但需谨慎！锂离子电池的优点3.3课程内容3.1电池的分类、特点3.2干电池与铅酸电池3.3锂电池及其分类3.4锂离子电池原理与结构3.5锂电池发展趋势及未来3.6钠离子电池锂离子电池的原理

正极：锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2或LiXMnO2，负极：锂-碳层间化合物LiXC6。电解质：溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等有机溶液。隔膜为带孔的塑料。3.4在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象的称为:“摇椅电池”。充放电过程：是一个漫长过程，嵌出、迁出，移动，进入，嵌入。电子转移与离子迁移。电池充放电是物质转移过程。锂离子电池结构正极活性物质（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2)

导电剂、溶剂、粘合剂、基体(铝箔)负极活性物质（石墨、MCMB)

粘合剂、溶剂、基体（铜箔）隔膜（PE、PP/PE/PP）电解液（LiPF6+DMCECEMC)五金和辅材（铝壳、盖板、极耳、胶纸、隔圈片）523450AR52表示厚度为：5.2mm34表示宽度为：34mm50表示高度为：50mmA表示为铝壳R表示大圆角r表示小圆角3.43.4锂离子电池原理与结构铝壳电池结构软包铝塑膜电池结构3.4锂离子电池原理与结构3.4锂电池及其分类1—隔膜，2,3—负极及极耳，4,5—正极及极耳叠片电池的结构课程内容3.1电池的分类、特点3.2干电池与铅酸电池3.3锂电池及其分类3.4锂离子电池原理与结构3.5锂电池发展趋势及未来3.6钠离子电池3.5锂电池的发展趋势—规律锂电发展的趋势规律半固态电池与固态电池锂硫、锂空电池一般制造业发展的规律---西奥多-莱特定律IT摩尔定律LED海滋定律光伏行业SWANSON定律电池行业发展的规律是什么？微处理器芯片的电路密度每两年将翻番，价格减半。LED的价格每十年降为原来的10%，性能则提高20倍。全球太阳能光伏电池的制造能力每增加一倍，成本下降20%。能量密度？价格？周期？幅度？

美国MBA教授：1936年，西奥多-莱特在研究生产成本时，发现飞机生产数量每累计增加一倍，制造商就会实现成本按百分比持续下降，比如生产第2000架飞机的成本比生产第1000架飞机的成本低15%，生产第4000架飞机的成本，比生产第2000架飞机的成本低15%。3.5集成电路周期发展规律---经济规律集成电路发展规律---十年为周期，依赖技术创新、产业需求。3.5锂电能量密度发展规律---技术推动电芯能量密度每10年翻翻，每年增长7-8%;资料来源：《锂离子电池过往与未来》，新时代证券研究所3.5锂电产业周期发展规律---输出产能及经济规律锂电产业市场+技术驱动影响：产能增长周期为5年；复合增长率45%。五年五年五年输出产能增长规律：每年45%锂电产业输出产能变化的周期。3.5电池价格每年下降18%左右，产能每年增长45-50%中国电池产业的价格走势数据来源：国泰君安证券研究所2019年12月25日新材料在线3.5年均成本减少率（annualdecreaseratioADR）学习率（learningrateLR）是成本的下降量与市场规模增量的比值，或者看作是市场规模每增加一倍，成本的下降程度.自1991年锂电商业化至2020年，成本下降了多少？全类型电池及圆柱形电池的价格年下降率ADR:17.1%和17.4%；全类型电池及圆柱形电池的学习率LR:26.6%和30.9%。全球锂电池价格规律97％3.5锂电池产业发展的规律---剪刀叉规律杜克大学环境与地球学院，盖世汽车资讯SourceGlobalEVOutlook20173.5锂电池产业发展的规律---四大规律CATL的剪刀叉发展规律3.5受政策、技术进步、需求影响：能量密度、价格成剪刀交叉规律发展;市场产能周期为5年;复合增长率为45-50%；能量密度每年增长7-8%,10年能量密度翻倍;价格每年下降18%。锂电产业发展规律影响的因素:材料、电池技术不断升级；国家政策、国家宏观规划；使用模式、商业模式驱动；制造技术、方法日新月异；电动化无处不在。影响锂电产业发展规律的因素3.53.5锂电池的发展趋势及未来3.5锂电池的发展趋势及未来3.5锂电池的发展趋势及未来3.5锂电池的发展趋势及未来课程内容3.1电池的分类、特点3.2干电池与铅酸电池3.3锂电池及其分类3.4锂离子电池原理与结构3.5锂电池发展趋势及未来3.6钠离子电池钠离子电池研究背景虽然是作为最先进的储能二次电池的锂离子电池，已广泛应用于小型电子产品并有可能成为未来新能源汽车的动力电池以及大规模储能工程的配套电源。但是锂离子电池又有其存在的问题：1安全性问题—在锂离子电池中，除了正常的充放电外，还存在很多放热副反应，电池温度过高或充电电压过高时，放热副反应就可能会被引发从而引起一系列安全问题。2成本问题—高昂的成本是制约锂离子电池普及使用的一个重要因素。LiCoO2是研究最早且技术最成熟的锂离子电池正极材料，在锂离子电池正极材料市场占主导地位，但是钴资源匮乏，价格昂贵，直接导致电池成本高。3锂资源短缺—我国