锂电池原理1.ppt

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池,(lithium ion battery,简称为,LIB),和聚合物锂离子电池,(polymer lithium ion battery,简称为,LIP),两大类。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同,锂离子电池使用的是液体电解质,而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。,聚合物锂离子电池可分为三类：,1.,固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。,2.,凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。,3.,聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的,3,倍，是最新一代的锂离子电池。由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂离子电池相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高,50,以上。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池,聚合物锂电池的基本组成,正极材料,负极材料,隔膜,电解液,外包铝塑膜,铝镍复合带,聚合物锂电池的正极材料体系主要分为三种：,三元材料：,Li,（,NiCoMn,）,O2,锰酸锂,:,LiM,y,O,2,钴酸锂,:LiCoO2,磷酸铁锂,:LiFePO4,锰酸锂材料电池的组成,正极片：,LiM,y,O,2,、,导电剂、粘合剂，铝箔,负极片：,C,、,导电剂、粘合剂、铜箔,微孔隔膜：聚丙稀,/,聚乙烯复合膜,有机电解液：,LiPF,6,/EC+DEC.,外壳及配件,:,钢壳、铝壳、铝塑膜，铝镍复合带。,电化学反应过程,充电过程,：,正极反应：,LiMO,2,xLi,+,+Li,1-x,MO,2,+,xe,-,负极,反应：,xLi,+,+,xe,-,+C,6,Li,x,C,6,放电过程,：,正极反应：,xLi,+,+Li,1-x,MO,2,+,xe,-,LiMO,2,负极反应：,Li,x,C,6,xLi,+,+,xe,-,+C,6,电池反应：,LiMO,2,+C =Li,1-x,MO,2,+Li,x,C,6,钴酸锂材料电池的组成,正极片：,LiCoO2,、导电剂、粘合剂，铝箔,负极片：,C,、导电剂、粘合剂、铜箔,微孔隔膜：聚丙稀,/,聚乙烯复合膜,有机电解液：,LiClO4-PC+DME,外壳及配件,:,铝壳、铝塑膜，铝镍复合带。,电化学反应过程,充电：,LiCoO2Xli+Li1-xCoO2+,Xe,-Xli+,Xe,-+C6 LixC6,放电：,Xli+Li1-xCoO2+,Xe,-LiCoO2 LixC6 Xli+,Xe,-+C6,磷酸铁锂材料电池的组成,正极片：,LiFePO4,、导电剂、粘合剂，铝箔,负极片：,C,、导电剂、粘合剂、铜箔,微孔隔膜：聚丙稀,/,聚乙烯复合膜,有机电解液：,EC,、,DMC,、,EMC,、,LiPF6,、多种添加剂,外壳及配件,:,钢壳，壳、铝塑膜，铝镍复合带。,对各组成部份材料的要求,对正负极物质的要求,1,、正极电位超正，负极电位越负,2,、活性要高（反应快，得胜率高）,3,、活性物质在电解液中要稳定，自溶速度要小,4,、活性物质要有良好的导电性能，电阻小,5,、便于生产，资源丰富,对电解液的要求,1,、电导率高，扩散效率好，粘度低,2,、化学成份稳定，挥发性小，易贮存,3,、正负极活性物质在电液中能长期保持稳定,4,、便于使用,对隔膜要求,1,、有良好的稳定性,2,、具有一定的机械强度和抗弯曲能力，有抗拒枝晶穿透能力,3,、便于使用,4,、吸水性良好，孔径、孔率符合要求,对外壳要求,1,、有较高的机械强度，承受一般的冲击,2,、具有耐工艺腐蚀的能力,电池工作原理图,+,-,充电,锂离子,放电,正极,负极,电解液,隔 膜,电池结构,柱形电池结构,锂离子电池安全特性,为了确保锂离子电池安全可*的使用，专家们进行了非常严格、周密的电池安全设计，以达到电池安全考核指标。,隔膜,135,自动关断保护采用国际先进的,Celgard2300PE-PP-PE,三层复合膜。在电池升温达到,120,的情况下，复合膜两侧的,PE,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*。,向电液中加入添加剂在电池过充，电池电压高于,4.2v,的条件下，电液添加剂与电液中其他物质聚合，电池内阻大副增加，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。,电池盖复合结构电池盖采用刻痕防爆结构，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。,各种环境滥用试验进行各项滥用试验，如外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。同时对电池进行温度冲击试验和振动、跌落、冲击等力学性能试验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。,电池的安全标准,电性能：,1,、额定容量：,0.5C,放电，单体电池放电时间不低于,2h,，电池组放电时间不低于,1h54min,（,95%,）；,2,、,1C,放电容量：,1C,放电，单体电池放电时间不低于,57min,（,95%,），电池组放电时间不低于,54min,（,90%,）；,3,、低温放电容量：,-20,下,0.5C,放电，单体或电池组放电时间均不低于,1h12min,（,60%,）；,4,、高温放电容量：,55,下,0.5C,放电，单体电池放电时间不低于,1h54min,（,95%,），电池组放电时间不低于,1h48min,（,90%,）；,5,、荷电保持及恢复能力：满电常温下搁置,28,天，荷电保持放电时间不低于,1h36min,（,80%,），荷电恢复放电时间不低于,1h48min,（,90%,）；,6,、储存性能：进行贮存试验的单体电池或电池组应选自生产日期不足,3,个月的，贮存前充,50,60,的容量，在环境温度,405,，相对湿度,45,75,的环境贮存,90,天。贮存期满后取出电池组，用,0.2C,充满电搁置,1h,后，以,0.5C,恒流放电至终止电压,上述试验可重复测试,3,次，放电时间不低于,1h12min,（,60%,）；,7,、循环寿命：电池或电池组采用,0.2C,充电，,0.5C,放电做循环，当连续两次放电容量低于,72min,（,60%,）时停止测试，单体电池循环寿命不低于,600,次，电池组循环寿命不低于,500,次；,8,、高温搁置寿命：应选自生产日期不足三个月的单体电池的进行高温搁置寿命试验，进行搁置前应充入,50%5%,的容量，然后在环境温度为,552,的条下搁置,7,天。,7,天后将电池取出，在环境温度为,205,下搁置,2,5h,。先以,0.5C,将电池放电至终止电压，,0.5h,后按,0.2C,进行充电，静置,0.5h,后，再以,0.5C,恒流放电至终止电压，以此容量作为恢复容量。以上步骤为,1,周循环，直至某周放电时间低于,72min,（,60%,）,试验结束。搁置寿命不低于,56,天（,8,周循环）。,安全性能,1,、持续充电：将单体电池以,0.2ItA,恒流充电，当单体电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电并保持,28d,，试验结束后，应不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸（相当于满电浮充）。,2,、过充电：将单体电池用恒流稳压源以,3C,恒流充电，电压达到,10V,后转为恒压充电，直到电池爆炸或起火或充电时间为,90min,或电池表面温度稳定（,45min,内温差,2,）时停止充电，电池应不起火、不爆炸（,3C10V,）；将电池组用稳压源以,0.5ItA,恒流充电，电压达到,n5V,（,n,为串联单体电池数）后转为恒压充电，直到电池组爆炸或起火或充电时间为,90min,或电池组表面温度稳定（,45min,内温差,2,）时停止充电，电池应不起火、不爆炸。,3,、强制放电（反向充电）：将单体电池先以,0.2ItA,恒流放电至终止电压，然后以,1ItA,电流对电池进行反向充电，要求充电时间不低于,90min,，电池应不起火、不爆炸；将电池组其中一只单体电池放电至终止电压，其余均为充满电态的电池，再以,1ItA,恒流放电至电池组的电压为,0V,时停止放电，电池应不起火、不爆炸。,4,、短路测试：将单体电池经外部短路,90min,，或电池表面温度稳定（,45min,内温差,2,）时停止短路，外部线路电阻应小于,50m,，电池应不起火、不爆炸；将电池组的正负极用小于电阻,0.1,的铜导线连接直至电池组电压小于,0.2V,或电池组表面温度稳定（,45min,内温差,2,），电池应不起火、不爆炸,机械试验,1,、挤压：将单体电池放置在两个挤压平面中间，逐渐增加压力至,13kN,，圆柱形电池挤压方向垂直于圆柱轴的纵轴，方形电池挤压电池的宽面和窄面。每只电池只能接受一次挤压。试验结果应符合,4.1.2.1,的规定。在电池组上放一直径为,15cm,的钢棒对电池组的宽面和窄面挤压电池组，挤压至电池组原尺寸的,85,，保持,5min,，每个电池组只接受一次挤压。,2,、针刺：将单体电池放在一钢制的夹具中，用,3mm,8mm,的钢钉从垂直于电池极板的方向贯穿（钢针停留在电池中），持续,90min,，或电池表面温度稳定（,45min,内温差,2,）时停止试验。,3,、重物冲击：将单体电池放置于一钢性平面上，用直径,15.8mm,的钢棒平放在电池中心，钢棒的纵轴平行于平面，让重量,9.1kg,的重物从,610mm,高度自由落到电池中心的钢棒上；单体电池是圆柱形时，撞击方向垂直于圆柱面的纵轴；单体电池是方形时，要撞击电池的宽面和窄面，每只电池只能接受一次撞击。,4,、机械冲击；将电池或电池组采用刚性固定的方法（该方法能支撑电池或电池组的所有固定表面）将电池或电池组固定在试验设备上。在三个互相垂直的方向上各承受一次等值的冲击。至少要保证一个方向与电池或电池组的宽面垂直，每次冲击按下述方法进行：在最初的,3ms,内，最小平均加速度为,735m/s2,，峰值加速度应该在,1225 m/s2,和,1715 m/s2,之间。,5,、振动：将电池或电池组直接安装或通过夹具安装在振动台面上进行振动试验。试验条件为频率,10Hz,55Hz,，加速度,29.4 m/s2,，,X,Y,Z,每个方向扫频循环次数为,10,次，扫频速率为,1oct/min,。,6,、自由跌落：将单体电池或电池组由高度（最低点高度）为,600mm,的位置自由跌落到水泥地面上的,20mm,厚的硬木板上，从,X,Y,Z,三个方向各一次。自由跌落结束后。,环境适应性：,1,、高温烘烤：将单体电池放入高温防爆箱中，以（,52,）,/min,升温速率升温至,130,，在该温度下保温,10min,。,2,、高温储存：将单体电池或电池组放置在,752,的烘箱中搁置,48h,，电池应，应不泄漏、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。,以上参数为行业标准，实际参数以各个电池生产厂商规格沪深为准。,电池的放电特性,电池的充电特性,不同材料体系电池的标准电压,三元材料：,3.6V,锰酸锂：,3.7V,钴酸锂：,3.7V,磷酸铁锂：,3.2V,各个材料体系电池的应用,常规的电池正极材料是钴酸锂,LiCoO2,，三元材料则是镍钴锰酸锂,Li,（,NiCoMn,）,O2,，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整，三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高，但是平台太低。,由于三元材料的价格比钴酸锂材料便宜，目前在一些低端聚合物电池产品可见使用。目前在一些山寨手机上已经有在用三元材料的电池了，特别是容量比较高的电池。,锰酸锂：目前锰酸锂电池成熟一些，已经进入产业化阶段，丰田、本田、日产电动车用的是锰酸锂电池。与锰酸锂电池相比磷酸铁锂电池耐高温性好，一般人认为相对安全性高一些。但其弱点是导电性差，内阻大，工作时产生的热量较多，目前的试验主要也是围绕着解决这一问题来展开。现阶段主要与钴酸锂混合使用。,钴酸锂：,LiCoO2,是商品化锂离子电池最早使用的正极材料，因其具有易于合成，电压平台高，比能量适中，循环性能好等优点，仍为锂离子电池的主流正极材料。但由于其结构固有的特点，,LiCoO2,在生产加工过程中，很容易被氧化，从而使其容量急速衰退，存在过充安全隐患，需要附加电路保护板。目前广泛应用于手机，数码播放器，电子阅读器，移动,DVD,，笔记本电脑，手持通讯设备，医疗设备。,磷酸铁锂：磷酸铁锂电池 现在主要方向是动力电池，相对钴酸锂电池在大倍率放电是有很大优势。,磷酸铁锂动力电池七大优势,:,一、超长寿命，循环寿命在,1000-2000,次以上。二、使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。三、可大电流,5C,快速充放电，最大峰值电流在,45C,以上。在专用充电器下，,1.5C,充电,40,分钟内即可使电池充满，起动电流可达,2C,而钴酸锂电池现在无此性能。四、耐高温，磷酸铁锂电热峰值可达,350500,而锰酸锂和钴酸锂只在,200,左右。五、大容量。六、无记忆效应。七、绿色环保。,磷酸铁锂电池也有其缺点：例如磷酸铁锂正极材料的振实密度较小，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池，因此在微型电池方面不具有优势。高倍率充放电时，实际比容量低，这个问题是制约磷酸铁锂产业发展的一个难点。磷酸铁锂之所以这么晚还没有大范围的应用，这是一个主要的问题。,第一阶段（目前较为广泛）：,1,电动工具：电钻、电锯、割草机等；,2,遥控汽车、船、飞机等玩具；,3,不间断电源（,UPS,）及应急灯、警示灯及矿灯,(,安全性最好,),；,4,、替代照相机中,3V,的一次性锂电池及,9V,的镍镉或镍氢可充电电池（尺寸完全相同）；,第二阶段（目前正在兴起）：,1,轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等；,2,太阳能及风力发电的储能设备；,3,小型医疗仪器设备及便携式仪器等。,第三阶段（目前靠政府推动）：,1,大型电动车辆：公交车、汽车、景点游览车及混合动力车等。,电池的温度特性,工作温度范围：,-20 60,o,C,。,电池的工作温度,锰酸锂电池：,-50,45,o,C,。,钴酸锂电池：,-20,55,o,C,。,磷酸铁锂电池：,-20,70,o,C,荷电保持能力及自放电率,电池充电结束后，在环境温度为,205,o,C,条件下，将电池开路放置,28,天，再以,0.5CA,电流进行恒流放电，放电时间不小于,1.8h,。,60,o,C,时：容量损失,25%,。,40,o,C,时：容量损失,22%,。,20,o,C,时：容量损失,8%,。,电池的循环寿命,在环境温度,205,o,C,的条件下，以,1C,5,A,恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流为,105mA,，,停止充电；搁置,0.5h1h,，,然后以,1C,5,A,电流恒流放电至终止电压,2.75V,；,搁置,0.5h1h,，,再进行下一个充放电循环。直至连续两次放电容量小于,80%,的,1C,5,A,放电容量，认为寿命终止，循环寿命不小于,300,次。,电池其他一些零件,保护板,PTC,温度开关,外壳,锂离子电池保护板主要技术参数：,过充保护电压,过流保护电流值,过放保护电压,过放恢复电压,待机状态自耗电流（静态工作电流）,短路保护时间,电池组还应有电压,保护板的主要零件：,底板,:,底板里覆的铜箔负责连接各个器件的引脚，外面覆的一层阻焊油，表面喷锡处理。,控制,IC,（,Q,）,:,负责电池或电池组的充放电管理，当,IC,检测到电池在充电或放电达到保护板的设定值时，电路自动切断。,MOSFET,（,U,）：简称,MOS,管，起的就像是一个开关一样的作用。控制,IC,在发出命令后，由,MOS,来切断电路。,电容（,C,）：用来储存多余电量的一个元件。,电阻（,R,）：电阻在电路中通常起,分压,分流的作用,NTC,（负温度系电阻）：电阻阻值随温度增高而减小，功能起保护作用，其标准以,25,摄氏度而定，不同温度其阻值不同。,电池在长期处于过高（,4.3V,）或过低（,2.0V,）的电压时，会影响电池的使用寿命。,不同材料体系的电池的保护电压：,材料名称,三元材料,锰酸锂,钴酸锂,磷酸铁锂,过充保护电压,4.2V,4.2V,4.2V,3.65V,过放保护电压,2.4V,2.4V,2.4V,2.0V,电池,PACK,的注意事项：,1.,外壳设计电池外壳应有足够的机械强度以确保其内部电芯免受机械伤害。外壳内安装电芯的部位不应有锋利的边角。外壳内空间应足够可以放入电芯，不至使电芯被挤压变形。,2.,保护电路设计过充的限制电压应小于,4.25V,（单节电芯）。过放的限制电压应大于,2.50V,（单节电芯）。保护电路应具有过电流及短路保护功能。与电芯连接设计，请考虑尽可不要在组装或使用中过程有让极耳受力，以免损及电芯极耳。,3.,电芯与外壳组装注意事项,3.1,电芯的连接建议使用超声波焊接或点焊技术来连接电芯与保护电路模块或其它部分。如使用手工锡焊，须注意以下事项，以保证电芯的功能：烙铁的温度可控且防静电。烙铁的温度不能超过,320,。锡焊时间不能超过,3,秒；锡焊次数不能超过,5,次；必须在极耳金属片冷却后再进行二次焊接；禁止直接加热电芯，高于,60,会导致电芯损坏。禁止同时进行正负极拉焊（又叫拖焊），以免短路而损坏电芯。,3.2,电芯的安装应将电芯的宽面安装在外壳内；装电芯的位置不能有毛刺和尖锐边角；电芯不能在壳内活动。正负极连线不可拉得过紧。组装过程中对电芯极耳不可有往返扭折，如有需要请不要超过两次。并且不要拉拔。以免电芯极耳被拉断。组装后要检查外壳内装电芯的位置不可有杂物。,