动力锂离子电池现状、安全性及寿命评测.ppt

1、电池术语与及使用基本常识,容量,电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。 电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。 理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。 实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。 额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下

2、应该放出的最低限度的容量。,内阻,电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。 电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。 欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。,负载能力,当电池的正负极两端连接在用电器上时，带动用电器工作时的输出功率，即为电池的负载能力。,内压,指电池的内部气压，是密封电

3、池在充放电过程中产生的气体所致，主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。其产生原因主要是由于电池内部水分及有机溶液分解产生的气体于电池内聚集所致 。,充电率(C-rate),C是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值。 例如：充电电池的额定容量为1100mAh时，即表示以1100mAh(1C)放电时间可持续1小时，如以200mA(0.2C)放电时间可持续5小时，充电也可按此对照计算。,终止电压(Cut-off discharge voltage),指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。 根据不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命

4、的要求也不同，因此规定的电池放电的终止电压也不相同。,开路电压(Open circuit voltage OCV),电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。 电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，如果电池正、负极的材料完全一样，那么不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，其开路电压都一样的。,工作电压,工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。 电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。,放电深度(Depth of discharge DOD),在电池使用过程中，电池放出的容量

5、占其额定容量的百分比，称为放电深度。 放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。,过放电(Over discharge),电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。,过充电(Over charge),电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。,能量密度(Energy density),电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。 一般

6、在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。,自我放电(Self discharge),电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。 电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率 行业标准锂离子电池月自放电率小于12% 电池自放电与电池的放置性能有关，其大小和电池内阻结构和材料性能有关,放电平台,锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记

7、为C0，C1/C0称为该电池之放电平台 行业标准1C放电平台为70%以上,放电倍率,电池放电电流的大小常用放电倍率表示，即电池的放电倍率用放电时间表示或者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示，由此可见，放电倍率表示的放电时间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大。（放电倍率=额定容量/放电电流） 根据放电倍率的大小，可分为低倍率（7.0C） 如：某电池的额定容量为20Ah，若用4A电流放电，则放完20Ah的额定容量需用5h，也就是说以5倍率放电，用符号C/5或0.2C表示，为低倍率。,充电循环寿命(Cycle life),电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的7

8、5%，此时循环次数即为该电池之循环寿命 循环寿命与电池充放电条件有关 锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。,记忆效应(Memory effect),记忆效应是针对镍镉电池而言的，由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。

9、要消除这种效应，有两种方法，一是采用小电流深度放电（如用0.1C放至0V）一是采用大电流充放电（如1C）几次。 镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应,化成,电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成，电池只有经过化成后才能体现真实性能。,分容,电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容,电池充电方式介绍,快速充电：充电电流大于0.2C，小于0.8C则是快速充电。 慢速充电：充电电流在0.1C-0.2C之间时，我们称为慢速充电。 涓流充电：充电电流小于

10、0.1C时，我们称为涓流充电。 超高速充电：充电电流大于0.8C时，我们称之为超高速充电。 恒流充电方式：恒流充电法是保持充电电流强度不变的充电。方法，恒流充电器通常使用慢速充电电流。 快速自动充电方式：通常所使用的是余弦法充电，也就是说并非用恒定的大电流充电，而是像余弦波那样电流强度随之变化，这样能缓解热量的积聚，从而将温度控制在一定范围内。 脉冲式充电法：脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。,如何计算充电时间,充电时间(小时)=充电电池容量(mAh)/充电电流(mA)*1.5的系数 假如你用1600mAh的充电电池，充电器用400mA的电流充电，则充电

11、时间为:1600/400*1.5=6小时,锂离子电池保护线路过充电保护,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 IC 需检测电池电压，当到达 4.25V 时（假设电池过充点为 4.25V）即启动过度充电保护，将功率 MOS 由开转为切断，进而截止充电。,锂离子电池保护线路过放电保护,过放电保护: 过放电保护 IC 原理：为了防止锂电池的过放电，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过放电电压检测点（假定为 2.5V）时将启动过放电保护，使功率 MOSFET 由开转变为切断而截止放电，以避免电池过放电现象

12、产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅 0.1uA。 当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误,动力锂离子电池现状、安全性及寿命评测,2011汽车动力电池国际研讨会,INET, Tsinghua University,2011年2月23-24日，上海 何向明 清华大学核研院 新型能源与材料化学研究室 Institute of New Energy Technology,内容, ,动力电池现状 锂离子动力电池的安全性 锂离子动力电池的使用寿命 Institute of Ne

13、w Energy Technology, INET, Tsinghua University,清华大学核研院锂离子电池实验室介绍,锂离子电池研究概况,杰 1 汽,20,会 车动,ww 力电,ge 池研,材料合成，机理诊断，电极/电池工程化，数学模型,p- 讨会,en,t.,电池,模型,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,从纳米尺度到微米尺度，再到毫米尺度,性能,电极 结构,电池 结构,结构 材料合成 材料修饰 表面/界 面化学,新工艺 新材料 安全性 长寿命,电极制造 电池制备 电极 模型,高性能 锂电池

14、电极 模型,1 腾 务 负极 正 极,w.,to,ev,co,m,动力锂离子电池的现状 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,目前市场上的混合动力车,杰 1 汽,20,会 车动,ww 力电,ge 池研,p- 讨会,en,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Toyota Highlander Lexus RX400h,Honda Insight Lexus GS450h,Toyota Camry Honda Civic,To

15、yota Prius Honda Accord,Saturn Vue,Chevy Silverado,Ford Escape,more and more,1,腾,务,w.,to,ev,t.,co,m,杰 1 汽,20,会 车动,ww 力电,ge 池研,p- 讨会,en,1,腾,务,w.,to,ev,t.,co,m,Honda Insight Lexus GS450h,混合动力车,ELECTRIC ACCESSORIES,PETROLEUM ONLY 76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 1.5kWh battery Institute of Ne

16、w Energy Technology, INET, Tsinghua University,1 腾 务 w. ADVANCED ENGINE,Fuel Flexibility,插电式混合动力车 ELECTRIC ACCESSORIES,ADVANCED ENGINE,PETROLEUM AND/OR ELECTRICITY BATTERY RECHARGE 76hp gasoline engine, 67hp electric motor, 9.0kWh battery (30mi) Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua Uni

17、versity,Percentage of Vehicle Fleet In Use (%),Cumulative Fuel Consumed (gallons),5,10,15,20,25,0 0,10 5,15,20,25,30,Time of Day (hr) Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,0 30,100 50,150,200,250,300,PHEV40, 8647 total miles driven 共行驶8647英里,58 mpg &,140 Wh/mi,PHEVs: 40% redu

18、ction in operating costs,$500 annual savings,37 mpg,76 mpg & 211 Wh/mi,Assumes $2.41/gal and 9/kWh,$1.58 $1.21,$2.48,$3.45,$0.48 $0.72,-,-,5.4 5.1,6.5,9.1,PHEV20 PHEV40,HEV,CV,混合动力车的实际节油效果,E-Transportation is the most significant technological revolution after the cellular and the internet. 电动交通是移动电

19、话和互联网后的最重要的技术革命 。 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,电动车对动力电池的需求在持续增长, MW reserve power plants. 兆瓦级储能电站。,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,钛酸锂电池移动储能电站,Electrovaya, International Battery, Ultralife, Valance, Saft. BYD 磷酸铁锂电池固定储能电站,规模储能是动力电池的又一重要市

20、场 Manage fluctuations in electricity demand. 平抑电网波动。 Manufacturers to take a part: A123, Altairnano, Enerdel,different cell models,120 different cell models, Ultra High power 超高功率(20C)- 19 manufacturers,Market grow of 15% CAGR(复合年均增长率) per year driven by the EV growing market, Cell costs are decreas

21、ing by 8% per year (Source: IIT). Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,动力电池的现状 High power 高功率(10C)- 84 manufacturers, 1500,中日韩在动力电池制造方面占支配,Far-East manufacturers dominate the market,台湾 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Institute of New Energy Tech

22、nology, INET, Tsinghua University,动力电池的包装方式,Prismatic cells,较好的传热,安全性好 使用寿命长,Pouch cells Cylindrical cells,功率最高的磷酸铁锂电池,Seealso Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Beijing China Powerel 北京中润恒动电,池有限公司,850 x 560 x 7

23、1,200,500 to 80%,?,7000,102,21,1028,213,Lionik 深圳市龙锂实业 有限公司,255 x 145 x 55,100,500 to 80%,-20 to 60,3600,105,186,1055,1868,单体电池容量最高的高功率动力电池 Cell Size Cap Cycle Temp Weight Weight Volume mm Ah life range gr energy energy power density density density density Wh/Kg Wh/L W/Kg W/L,t.,功率最高的18650电池,Highco

24、mpetitivemarketwithalmost50differentcellmodels Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,操作温度最高的动力电池,EV needs batteries with up to 80C high temperature operating range m Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,快速充电动力电池,短问题的最经济的方法。road charging stations.,快速充电

25、 (up to 5 min, 80% capacity) 是解决电动车续驶里程,Toshiba Super Charge Lithium Ion,Battery - SCiB Lithium Manganese oxide Spinel cathode - LMO Lithium Titanate Oxide anode LTO Recharge to 90% of full capacity in less than 5 minutes. Excellent safety because of high level anode stability., 6000 cycles of full

26、D.O.D to 90% of initial capacity., Low temperature discharge from -30C., SCIB is currently available on the Schwinn Tailwind electric bike.,2.4Voc,65 Wh/Kg,131 wh/l,650 W/Kg,1316 W/l, Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,VW&Toshiba, 1st,Will dominate the rechargeable market

27、for the near and mid,future., 2nd,Generation Li-Ion Chemistries, Better performance - Up to 300 Wh/kg with fast recharge. - Wider operating temperature range. - Fast Charging. Improved safety. Reduced cost. 锂空气电池？ Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,下一代锂离子电池动力电池,Generation

28、Li-Ion Chemistries,动力电池的安全性问题将影响其市场命运,If it is not safe it will not survive Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,动力电池的安全性问题,锂离子电池的安全性 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Institute of New

29、Energy Technology, INET, Tsinghua University,安全性问题引起的损失,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Safety cases,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Safety cases,安全性的概念 滥用安全性 abuse thermal runaway Mechanical 机械的 crush, nail penetration 挤压、针刺, Electrical 电的

30、 short circuit, overcharge 短路、过充 Thermal 热的 thermal ramp, simulated fire 热箱、火烧,现场安全性 field failure thermal runaway Manufacturing defects 由制造瑕疵引起 Loose connection, separator damage, foreign debris 连接问题、隔 膜损坏、粉尘 Can develop into an internal short circuit 随机发生，引起内短路 Can lead to overheating and thermal

31、runaway 引起过热与热失控 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,滥用安全性,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,现场（随机）安全性,两种安全性概念的差异,现场安全性,滥用安全性,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua Univers

32、ity, Predictable 可预测的 Common to all cells 对每 一个电池 Can/should be evaluated at the cell level 可以通过 测试进行评估 Time constants relatively long 发生过程较长 Can be augmented by protection devices 可以 通过保护措施进行改善, Not predictable 不可预测的 One-in-a-million (or less) 随 机小概率发生 Difficult to evaluate at the cell level, or th

33、rough QC 无 法通过测试进行评估，也不 能通过质量管理来完全消除 can occur quickly 发生很突 然 PTC, CID, shutdown separators, electronic controls not are effective 目 前所有的安全性措施，均不 能完全消除锂离子电池安全 隐患, 发生安全事故的锂离子电池，之前均通过UL安全认证。, 发生原因基本上是不可预测的内短路所造成。而这种内短 路似乎是不能完全消除。 引起安全事故的电池在制造时，均是合格品。 目前滥用安全性标准的测试结果，与发或者不发生安全性 事故，之间没有任何联系。 Institute of

34、 New Energy Technology, INET, Tsinghua University,锂离子电池安全性 对于笔记本电脑电池，发生概率在几百万分之一。, Major effort has been payed to improve the ways we,address safety in lithium-ion batteries, however, 在人们如此重视锂离子电池安全性的今天，严重的安全性问 题还时有发生。 The battery community does not have adequate tests to evaluate safety as it relat

35、es to the safety incidents that have taken place or could take place. 人们还没有找到合适的方法来预测和评测这类安全隐患问题 我们在做工作，希望“十二五”结束时，这个问题得到一定程 度的解决。 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,锂离子电池的安全性 serious safety incidents can always occur.,Energy Released (J),热失控的机理,Institute of New Energy Tec

36、hnology, INET, Tsinghua University,249.9,378,292.5,73.71,640,0.9 0,300 200 100,700 600 500 400,Anode/Binder Anode/Solvent SEIDecompn,Cathode,Breakdown,Separator,Oxidn,Cathode,Solvent Oxdn JouleHeating,Cathode,锂离子电池安全性 900 800 0.8 Ah 钴酸锂手机电池,826.2,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua Un

37、iversity,负极材料的安全性改进,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,正极材料,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Heat release,Safety of cathode Materials,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,隔膜,隔膜关闭的温度范围 Strength and physical integrity 抗压机

38、械强度 Shrinkage allowance 热收缩率 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,影响电池安全性的重要指标 Shutdown performance, ,电解质 Solvent，non-flamable Salts，high decomposition temperature, ,Additives，Flame-Retardant Gel electrolyte Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,P(VdF

39、-HFP)凝胶电解质在 .,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,凝胶电解质 凝胶电解质的放热量与放热速率,黄倩，厦门大学博士论文,燃烧过程中的放热总量非常 接近于纯液态电解液体系。 并且随着P(VdF-HFP)在凝 胶电解质中浓度的增加，其 相应的热释放速率逐渐降低 。采用P(VdF-HFP)凝胶电 解质比液态电解液更为安全 PMMA凝胶电解质体系中， 情况却是相反:其燃烧反应的 放热总量和热释放速率都随,PMMA的加入而显著增大。,锂离子电池的安全性是一个复杂的系统问题, 动力电池安全性是一个系统问题。

40、从单纯的电池材料改性（正极、负极、电解质、隔膜 ）是不能完全解决安全性问题，但可以大幅度地提 高。 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,正极材料包覆,钴酸锂包覆磷酸铝,5-10nm AlPO4,过充电前,过充电后,自制安 全性手 机电池,过充电试验 未燃烧、未爆炸。,市售品牌电,过充电,池电芯 Institute of New剧烈燃Technology, INET, Tsinghua

41、University,Energy 烧,高性能高安全性动力电池,采用正极材料表面与界面控制技术、电解质添,加剂等技术，制备出高安全性动力电池。,20V过充,150热箱 5小时以上 标称容量12Ah，三元氧化物 正极材料。电池比能量大于 160wh/kg，比功率大于,1200W/kg， Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,安全,很好的倍率性能,目前市售三元动力电池的过充电, 充电到5.2V时，发生剧烈燃烧,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua U

42、niversity,目前市售三元动力电池, 充电到4.15V，加热到120，发生剧烈燃烧,Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University, 动力电池的使用寿命与成本 如何评测动力电池的使用寿命 现场检测电池的寿命状态（SOH） Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,锂离子动力电池的使用寿命, PHEV battery likely to deep-cycle each day driven: 15 yrs equates to 400

43、0-5000 deep cycles, Also need to consider combination of high and low frequency cycling and calendarwlife 电池,电池循环寿命,70% 50% 4000 Data presented by Christian Rosenkranz (Johnson Controls) at EVS 20, 2006 Institute of New Energy Technology, INET, Tsinghua University,52% .,Institute of New Energy Techn

44、ology, INET, Tsinghua University,$4,005,$2,865,$2,919,$3,002,$1,998,$1,992,$2,004,$2,020,$2,079,$2,407,$2,454,$2,433,$5,117,$8,433,$663,$-,$2,000,$4,000,$6,000,$10,000 $8,000,$14,000 $12,000,$18,000 $16,000,CV,HEV,PHEV20,PHEV40,transmission engine,25%,电池占电动车成本比例 Projected Retail Powertrain Costs - Midsize Sedans 1) including manufacturer and dealer markups 2) all component costs assume projected status charger/plug battery 40% motor/inverter,60%,动力电池的使用寿命, 电池的成本占整个电动车成本的2560%。是一个,非常重要的零部件。, 车的使用寿命：10-15年, 动力电池目前的使用寿命是3-7年，LG化学声称可 以有10-15年的寿命保证。 因此