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锂电池培训资料
9 {8 ^! Q% _6 P$ u1 i2 T* S( r& B  \9 ?2 k& s* T+ ?: g  \2 l$ F' p2 b- f+ b一、电池基础
二、锂离子电池基础
三、锂电池的安全
四、保护板BMS具体功能介绍.
五、锂离子电池的储藏和运输

3 ]8 O' P# A5 C1 a& I一、电池基础
1、电池的发展简史：
公元前100～公元100年 电池原形
1780～1791发明伽尼尔电池
+ Z9 ^. J  M" w# r, K1800年伏特发明电池
1833年发现法拉第法则
' `$ C2 D0 Q2 U" d' k3 j+ t! l1836年发明丹尼尔电池,
1859年发明铅酸电池
1 n' a8 n6 d6 |: G4 e( U2 n1868年发明干电池
1899年发明Ni-Cd蓄电池
# S3 y5 k4 ?8 y! L! k5 T1901年发明Ni/Fe电池
0 C* }0 N% e" {+ k2 e1951年发明密封Ni-Cd电池
7 R) G7 s1 ?8 |( r/ |6 Q% z1990年发明锂离子电池
, _2 J! Q! s$ k8 x( q1995年发明聚合物电解质锂离子电池
# l/ e/ Z; z, R, L& k) w5 Y, G- s8 q9 H6 ]( w, ~5 P
2、电池的要素和组成：
+ W7 s  [, S/ I1 y4 \/ h: w5 ~◆电极
0 R9 U' y  y6 `, B8 T7 L' x   负极：通常将电池电极中电压较低的一极称为负极
; S& V  P& x! y, h   正极：通常将电池电极中电压较高的一极称为正极5 _) f4 I  Q& N" I! l
◆隔膜：在电池中，防止正负极间电子导通，而又能让离子通过（离子传导）的隔离材料，一般为多孔薄膜材% w$ I1 y! ^% K$ Z/ U2 e
料
- h4 ?$ ^" x+ Z7 v1 R9 `- b◆电解质溶液（电液）：在电池内正负极间提供离子传输作用
8 ?' s# ~( y( W/ P- o% T3 x◆其他构件：如外壳，极柱，密封件等. Y9 O  F7 f, v# h9 h

1 j2 o$ j) C8 V; ~- b3、电池的分类
7 N5 w: G, b+ V! \6 F$ x7 m6 |( g# [) M4 t* I
一次电池（干电池）
' \0 u. z/ S) Q. N4 K二次电池（充电电池或蓄电池）: a. {9 E8 v& ^
·铅酸电池* @4 m5 h9 h! c- A& [4 r( ~0 W% B" F- L
·镍－镉电池7 i2 F2 b; s% q% R
·镍－氢电池* e; y4 y! A$ ~6 [$ d
·锂离子电池
' U0 n3 I; L. l' _+ P) ?4 i   ·液态锂离子电池
* ~# P6 @* W/ G0 m$ n: d   ·聚合物态锂离子电池8 {& }' h& u' W- ^% t( V! T% o
2 }' e* S; l5 H9 j7 g. t
另外还有燃料电池、太阳能电池等等8 \! Z& i# J, D/ E! t
( |$ q8 Z$ Q$ a! M6 d0 k) f
4、常见可充电电池性能比较：* M5 h" L# |5 M; b* \
               组成                                             电池              能量密度     & p! h1 }5 e, T7 M: x
电池体系     负极  电解液     正极          环保性能   电压（V）  Wh/kg   Wh/L      充电循环   自放电率) B% Y) e9 P: X( a% x
锂离子电池   碳    LiPF6   LiMn2O4或  绿色环保      3.6        130-150 350-400     ≥1000       8%
0 \; F1 M# ?/ ^9 ^! I                                          LiCoO2' ?" d, L% Q0 h" a( _9 U8 {
铅酸电池      Pb   H2SO4    PbO2       铅污染严重    2.0         30-50  50-80         300-500      20%
0 ?+ E9 r$ S! F/ f* v, v" g镍镉电池     Cd      KOH     NiOOH      镉污染严重    1.2         50-60  130-150     400-600      25%
7 w" H' ]4 L" G镍氢电池    储氢     KOH     NiOOH         环保         1.2         60-70  190-200       ≥500        10%         
) M; \4 `- ?- Y" _& K1 i# I                  材料
% u( |* }3 F0 S, V( A, Q  ~/ C- n7 L' s+ ]: U% S+ ^  R5 J
二、锂离子电池基础
/ n, k/ j$ \) `& _' H
" O& X5 s9 R$ E# C* B& C1、锂离子电池的“前世今生” ：
锂离子电池是20世纪90年代开发成功的新型高能电池。
2 G6 l1 i& i. C6 I1 l, z5 l2 A锂离子电池的“前世”：早期负极为金属锂的“锂电池”，但金属锂的化学活性太大，   充电时产生的枝晶, h3 E$ n6 F0 M( P# x9 s: a会使电池短路，目前尚未真正解决其安全问题。  x- @7锂离子电池的“今生”：锂离子电池名称开始于日本企业，针对含金属锂负极的锂二次电池    而言，1991年- Q6 V0 q3 o/ o% \0 o- W- u由索尼公司率先实现商业化。采用可嵌锂碳材料为负极，正极采用含锂的    过渡金属氧化物，利用溶有锂盐6 M, S6 S" l8 E% |非水溶剂作为电介质。 5 ~! d7 p! y7 [$ T' r22、2锂离子电池的优点和缺点：3/ X: i' Z3 g- Q$ P' \! Z锂离子电池重量轻、体积小，寿命长，没有记忆效应，具备良好的温度特性，同时由于没有重金属污染、没有毒性物质，是新一代环保型绿色电池。被业界称之为“终极电池”$ ^* X0 ]/ N! }* i- L  Z% m
           锂离子      铅酸    镍镉     镍氢% W* N* Y, Z; P5 j8 F
重量        5             1         1          3
4 J5 u5 N5 ]" P6 A/ C/ [寿命        5             2         3          4
" S4 g$ |. L1 z环保        5             2         1          5
5 F0 K, g  ]9 ]记忆        5             3         1          3# K8 `0 |' y. o  ~7 V, w
温度特性 5             2         3          34 G* Y% K7 d! U
1 W3 I7 y5 q1 B  r! N) x: K5 a6 C
缺点：锂离子电池价格相对昂贵，发展时间短，制造工艺的成熟性不如铅酸，镍镉及镍氢电池，但随时间的推, G! H  g, k( d
移，锂离子电池的制造工艺会越来越成熟，价格也会逐渐降低。
+ `: z: q+ W1 }8 P6 y- b. G, q% e0 D" s. G
5、液态锂离子电池与聚合物锂离子电池的异同：
2 p1 v9 z3 x1 j6 v7 F0 I! o5 d9 u7 `7 b
◆相同点：正负极活性物质相同  X: K7 _8 r$ E& W% f! d% o2 f3 S$ \
                  电池工作原理相同) m& G0 l& b* [5 \9 l' \" G% {, l2 s
                  单体电池工作电压相同  I. U/ j: i, j1 M. E) ~

# o7 @. t( t+ S) S, m◆不同点：液态锂离子电池的电解液是液态的有机电解液，聚合物锂离子电池的电解质是将液态的有机电解液6 v/ T4 H7 m" `; \; d3 M
吸附在一种聚合物基质上，所以被称为凝胶聚合物电解质。
; T4 U8 d% P; O' i9 X8 Z# R+ e- N, L
◆优缺点比较：液态锂离子电池的功率较聚合物锂离子电池大的多，反映在电动自行车上，液态比聚合物有更# }" Z+ A' E) \1 L0 W
强的爬坡能力；液态锂离子电池的价格较聚合物锂离子电池便宜。聚合物锂离子电池由于不存在游离的电解液4 z+ s- u0 I* q- j
，不存在漏液的情况。4 Z: c& x% X" T$ H9 {4 _
6 u$ h- k* Y; z
6、液态软包装、凝胶聚合物和液态锂离子电池的安全性：
6 `$ f% ~- T5 p( Y. |; ~7 }! f) x: o8 [: G' X7 u3 ]  G
◆目前市场上大量出现的是液态软包装电池，液态软包装电池内部电化学体系和金属壳包装电池一样。" e( Z4 k, }5 ]9 @

* w1 D9 m& I7 G. g) E  S0 E◆优缺点比较：采用液体电解液，因此在大电流放电等性能上也不错。由于采用软包装，包装较易损坏，在一
8 D% ?$ B! @' W: M2 z3 U些振动频繁的应用领域，如电动自行车等，需要谨慎。  e0 t) G- P2 Z. u
: W* v7 v- v+ p/ [7 r" M0 @4 k
                 金属壳液态      液态软包装       凝胶型
7 ?" U! a8 _' M' b, N电解液           液态               液态              凝胶态3 B) L3 _2 P5 y* Z* H3 B
包装               金属             铝塑膜            铝塑膜& P4 ~8 j9 A; o! W8 |2 h( ~5 ~
放电能力        很好               很好                  差0 A. i3 P. r4 l9 Z% }1 y/ k$ [' J9 L; u# r
+ ]0 G' v! F( N/ ]
安全性：锂离子电池的安全性需要从正极材料入手，光靠更换软包装无法从根本上解决。软包装的电池如果爆3 ?* n- A! ~! G: W7 q, \$ f/ t* P
炸，不存在金属物射出物，然仍无法解决燃烧等危险。从电极材料和电解液入手，才是解决锂离子电池安全性2 s' J0 u" }" m% x
的根本途径。  / k8 E. g* U2 p

0 k4 @$ l: z& Q( j& l; A0 [% v7、电池的一致性问题：# d& j, A4 o4 x7 h( ?

1 `* n  K  M/ t: S! x4 P# d, f  C单体电池不存在一致性问题，一致性问题主要集中在电池组中，影响电池组一致性的主要因素是电池的自放电
4 t* w$ B% T5 ]# h% g、内阻、电池中电池的数量、有无均衡线路等。同样容量和电压的电池组，锂离子电池数量越少，对一致性要$ O$ {9 t: k; v4 k
求越低。
. A7 h. C( K# L) ?. s5 }2 I1 C* ~
; b5 e, ~/ b  s; H% ]$ l) U8、镍氢（Ni/MH）电池的简介：
+ `/ a4 f* Q  S$ b/ W* e2 W! N8 y( Y7 ~5 N  L: u
镍氢电池的工作电压为1.2V，无铅酸，镉镍电池的重金属污染问题，也属于绿色环保型电池，但与锂离子电池
1 ]& _  ^9 }% n5 p( G* n相比，镍氢电池的工作电压只有锂离子电池的1/3，同样一个电池镍氢电池需要的单体电池的数量是锂离子电4 `! e2 g: a" n/ B; _. I& F
池的3倍，重量是锂离子电池的2倍左右，循环寿命也比锂离子电池短。另外镍氢电池充电过程中发热严重，无3 z3 s0 ^* U3 z; m3 [0 P2 F
法长期在高温调节下使用。低温性能不如锂离子电池，高倍率放电性能不如镉镍电池和锂离子电池，而价格与6 u. R) _& b; L: o) W/ Z  m
锂离子电池相差无几。所以镍氢电池虽然发展时间较长，但其发展的速度和潜力已远远落后于锂离子电池。
1 K- m9 W$ q8 I2 f% g4 `9、几种锂离子电池正极材料的综合比较
1 @$ f, T( a8 N# ]7 `
1 |5 f7 r6 m8 V/ q             钴酸锂         锰酸锂        磷酸铁锂        镍钴锰酸锂/3元
( j% `. _" Z* S+ K0 O7 ?2 H耐过充      ×                 √               √                      ×
, X4 f) b. X  N1 U- i2 Q( {
; s! Z  x! W2 C0 @: U氧化性     很强            一般               弱                      强
: O* l. V6 p/ |9 `0 R) K4 o2 A
% p& g$ t  [  Q9 p+ d0 g" }: d过充极限   0.5C/6V  3C/10V        3C/10V           0.5C/6V  r- ], R  F$ ~% X' q' H8 D
8 ^( v' M, r  g; k8 r: n% r* j
安全性    很不安全 安全性能好 安全性能好          不安全
6 m9 y! d+ t  M4 z7 ^/ Q4 ]( A: K/ Q% Y
安全容量    1Ah       10~30Ah      可达100Ah             /
+ E- x$ {( c0 h0 Y( F
+ |9 `) O. z3 F1 S大功率能力   好            很好              很好                  /6 V- d: ?; ~- Y! N" Q* u. s
' ~, Q; i" i! q& }4 B  ?+ b
价格            昂贵           低廉              低廉               一般" ^4 a# A9 O2 Y: G3 G) Y" s
- l: E: a9 j: t2 x# J, }9 T$ \
三、锂电池的安全
- \) f" S- N; S- S
# e9 w" b- ?9 t0 Q% ?4 g1 ?  b单体电池的安全测试项目及测试方法
- ?& g9 N/ q6 A% B$ F3 }) v
4 }/ t% T% E$ n测试项目           测试条件                         测试要求            电池数目    测试标准, a+ w9 q5 L) G( X. P" G2 b- e7 P) X
撞击 平面  9.1KG重物，0.61m高度，                                 3个1 n" y1 k, |4 `* d! @. W; y
         侧面  直 径15.8mm 的 钢棒。   不起火，不爆炸        3个                UL; h% o7 \; E, Y4 X' n3 ], l
                              . w' y# V/ F5 k% K) P
挤压 平面   挤压力 13KN                   不起火，不爆炸         3个                UL
; x* y$ ~- C" F) r         侧面                                                                            3个 ' D( U( d# R+ ^# D4 p2 H5 w
高温    150℃，10min& T9 A. ^$ i. n% y9 M6 b
          （温升5 ℃/min)                         不起火，不爆炸        5个                UL9 ~, |$ ~7 S7 d5 n9 `- d
$ \6 n# y" B! v) z" \- n
过充                    30A,10V                    不起火，不爆炸        5个               UL5 X, Y3 d( _' e9 i& Y
短路              电阻小于100mΩ              不起火，不爆炸        5个               UL
8 N" e4 j3 r' n# a& F5 {/ s针刺   φ5mm的钢钉从垂直于极板的8 f2 z# i  T" F1 f/ U# ]+ s. K2 b* P
         方向贯穿（钢针停留在电池中）  不起火，不爆炸         5个               企标0 b8 ~& R9 @) ?

0 X" w+ T& F2 G4 K# E
9 t) K2 ]! S3 ?) q' ]四、保护板BMS具体功能介绍' z! U( S6 Q1 z! u: G

2 }% P2 J1 N) i9 F保护板BMS（Battery Management System）有5大功能：
* }7 z/ V. Y- m( U& L  O& N
) B6 j9 F7 l, J, }1、过充（过压）保护6 F1 [) n" U8 V
   因为锂电池是很“脆弱”的电池，所以不能造成过充。锰酸锂是在4.2v保护，磷酸铁锂是在3.6v左右（具- t/ K5 B3 F: E  v: a! C; j
体可参考供应商规格书）；1 I5 Q, \% o, W8 M0 ^9 \

1 s5 |$ ~. V9 u0 P. T   造成过充时，一般保护板会有恢复功能。比如一块锰酸锂电池保护板设置的过充保护是4.25v，当过充时，: o# y: \* C# \/ X) b+ ?
保护板保护，停止充电，当电压降至4.15v时，才能恢复充电动作。- D7 B& S+ h+ z) ^' H
' b; Y; x4 a5 a5 W* i
2、过放（欠压）保护. B' h8 E+ ~3 S& O1 \' A' a/ X
) [/ h5 b0 k/ c) ^
   因为锂电池是很“脆弱”的电池，所以不能造成过放。锰酸锂是在2.7v或3.0v保护，磷酸铁锂是在2.3v左" o* G. P! m' s' d9 K. u
右（具体可参考供应商规格书）；- A2 G8 H( s+ M4 J, t
: |& S; M4 R; O: S
   造成过放时，一般保护板会有恢复功能。比如一块锰酸锂电池保护板设置的过放保护是3.0v，当过放时，% C9 {  F) T2 F# J4 c
保护板保护，停止放电，当电压升至3.1v时，才能恢复放电动作。
! s* g; [) b9 z8 `9 H+ R
: b$ b4 k( m8 Z" Y" D- @3、过流保护
5 x- _; m5 }6 Q# @9 u1 l  `- `
" k# m. o! b. b# G# I! v( f: U   当放电电流或者瞬间放电电流超过电池本身所能承受的电流时，BMS会停止放电动作。3 y# s% c$ x" m8 V
" x# f- H9 c7 S4 C; f( j
   一般恢复过流保护有2个办法。一是断开负载，重新连接电池与负载；一是更换烧坏掉的保险丝。具体看每
% b. E" a5 d. s" X个厂家的产品是如何设置。
8 P: r3 o4 o5 I+ ^' z& H2 d' j2 w   3 \& Z! S- b. s5 p9 c
   一般BMS会设置一个例如 30A/8ms（30安培 8毫秒）的峰值电流保护参数。就是说：当电流大于30A并且时- J6 G$ ]1 J7 _
间大于8ms时，过流保护会动作。假如是50A3ms，那么过流保护不会动作，
4 X0 d# l' l+ L( `& b1 W5 |   # K% X( R9 q! \' u3 H0 `' d
   这对带电机类的负载是非常适合的，因为一些负载在起动时会有一个非常大的脉冲/峰值电流，只要这个电
* b( K: X: k) j  I0 D* n# U流能过去，正常工作就不是问题了。所以有时候电池带电机类负载会不工作，很大一个原因是因为BMS上的脉0 ^! [) @1 ^6 P& R1 l5 A
冲/峰值电流给挡掉了，而不是电池出了问题。
; P' s3 R% H5 ~; O! Z5 A& o
1 ^$ R$ K/ B6 J   （测量这个电流需要示波器，很多业务不好展开就是这个电流没有测量到。我们测过一个Trimmer的峰值电流有90A，很高，相对这样大的电流，做BMS就是一个很高的要求）
. }% }8 }4 n; S5 d1 n8 u, t
3 ~9 G2 S2 d  W) U4、过温保护: t  X/ H4 l2 g1 k) F
1 W& n' h: z# c: r6 U
   锂电池在所规定的温度范围里是可以正常工作的，当超过所规定的温度范围，BMS会停止放电动作以保护电池，一般此功能为可选功能。   
  r4 E2 O0 h7 T! B% H+ a/ ]9 |! Z) J9 Y0 D8 G; m
5、均衡功能/ ]# k, Z" p4 ^  u# u
  d, B4 r% C2 J% w  s
   因为电芯一致性的问题，串并联的电芯越多，一致性问题越突出，电池组的性能会越不好。使用时间长了，每个电芯的电压容量内阻会有所差别，会降低整体电池的性能和寿命。有了均衡功能，可尽可能充满每个电芯的容量，降低每个电芯的差别，提高整体电池的性能和寿命。
  i1 g! ~1 h" N* g7 a, N
' k- V6 @0 j8 M  f   目前都在用的是“电阻放电法”，即给电池组中先充满电的电芯放电，让没充满电的电芯继续充电，当每个电芯都充满电了，整组电池才停止充电。（放电时当整组电池中有一个电芯放完电，整组电池停止放电）
* D' k# C/ P  g7 I* `3 x  C! x
4 ], s, v2 u/ ]" A- T+ D* Z. R/ r   另一方法是“双向无损均衡充电”，即让充满电的电芯给没充满电的电芯充电，也就是让电芯互相充电。这样效率很高，目前也可实现，但成本太高，不适合商业化操作。# S5 |- m0 m0 s9 h: |

2 q6 M9 h5 P2 k; a3 B) @. A五、锂离子电池的储藏和运输
( u9 ?; d1 _6 D" L, [1 p# V3 {
- U% ?) e1 I( r  j- m锂离子电池的储藏会导致容量下降
+ q* n% |8 Q- `/ e# z* {2 H) J高电压会导致正负极集流金属板的被腐蚀和电介质的分解  M' j2 a! b% {5 I
长时间处于放电状态将导致电机保护层分解，容量下降。1 m8 a( N6 j1 p- i$ P; p' M6 w
) R% `) {% L: `/ F
锂离子电池的储藏; j# x5 s+ }2 i' f  `; I% d

& x( O5 H( Z% u    1.电池组需长期储存时，请将电池组充电至半饱和（放完电后，用充电器充电2～3小时即可）状态，放置于干燥，通风处，每二个月用充电器充电2～3小时；
  u( _) d6 l2 D' o+ M. O    2.电池组和充电器应贮存在清洁、干燥、通风处，应避免与腐蚀性物质接触，远离火源及热源；1 E2 B3 X# B" _# l" w& t% P* c
    3.电池组贮存条件： 环境温度-20～35℃；环境湿度5～65％RH ；
- [! Q! h3 u: o; ]& D( E/ [
1 s1 \: W1 C4 C5 V* B) r: S运输：
) t! ?4 [1 v9 _3 P& m# S; `( o5 n1 v$ _' m
    电池组应包装成箱进行运输，在运输过程中应防止剧烈振动、冲击或挤压，防止日晒雨淋。
/ G6 @9 p: u  ~: H    运输工具可使用汽车、火车、船舶、飞机等交通工具进行运输。