電池基礎(chǔ)知識(BYD培訓教材)

1、電池基礎(chǔ)知識內(nèi)容安排n電化學常識n電化學應用n電池的基礎(chǔ)知識n鋰電池基礎(chǔ)知識分類歷史研究內(nèi)容基本理論原電池原理電池第一部分第一部分電化學基礎(chǔ)知識電化學基礎(chǔ)知識化學分類n無機化學n有機化學n物理化學n分析化學n高分子化學n核化學n生物化學電化學 化學熱力學結(jié)構(gòu)化學量子化學化學動力學光化學溶液、膠體和表面化學電池電解池電化學名詞1n電化學研究電現(xiàn)象與化學現(xiàn)象之間內(nèi) 在聯(lián)系的學科n電化學系統(tǒng)電極電解質(zhì)電化學名詞2n電極學電極的平衡性質(zhì)和通電后的極 化性質(zhì)，即電極和電解質(zhì)界面上的電化學行為 n電解質(zhì)學電解質(zhì)的導電性質(zhì)、離子的 傳輸性質(zhì)、參與反應離子的 平衡性質(zhì) 電化學起源n1791年意大利的伽伐尼發(fā)現(xiàn)

2、以金屬片接觸青蛙腿部肌肉時，有收縮的現(xiàn)象發(fā)生。伏打電池n上述現(xiàn)象1799年被意大利的伏打捕捉到并加以研究，發(fā)明了世界上第一個電池-伏打電池，即原電池。原電池原理及應用原電池的原理n較活潑的金屬發(fā)生氧化反應，電子從較活潑的金屬（負極）流向較不活潑的金屬（正極）n化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置 電極電極材料電極反應反應類型得失電子的粒子電子流動方向負極鋅片Zn2e=Zn2+氧化反應Zn原子Zn片Cu片正極銅片2H+2e=H2還原反應H+離子組成原電池的條件n有兩種活動性不同的金屬（或一種是非金屬導體）作電極n電極材料均插入電解質(zhì)溶液中n兩極相連形成閉合電路正負極與陰陽極n陰極：發(fā)生還原反應的電極，得電子n

3、陽極：發(fā)生氧化反應的電極，失電子n正極：電勢較高的電極n負極：電勢較低的電極n電池：正極陰極 負極陽極n電解池：正極陽極 負極陰極電流與離子的流向n當電池中有電流通過時，電解質(zhì)中的離子在電場的作用下作定向移動n陰離子總是移向陽極n陽離子總是移向陰極n整個電流在溶液中的傳導是由陰、陽離子的移動共同承擔的 電子流動電流電化學應用n化學電源n金屬防腐蝕：大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕n機械工業(yè)：電鍍、電拋光、電泳涂漆 n環(huán)境保護：電滲析除去氰、鉻離子等污染物 n電解、電冶煉工業(yè) n生命科學：如肌肉運動、神經(jīng)的信息傳遞都涉 及到電化學機理 第二部分第二部分 電池的基本知識電池的基本知識電池分類依據(jù)n電解質(zhì)

4、種類n電池所用正負極材料n工作特性和儲存方式以電解質(zhì)種類分類：n堿性電池電解質(zhì)以KOH溶液為主，如堿性 鋅錳電池（俗稱堿錳電池或堿性 電池）、鎳鎘電池和鎳氫電池等n酸性電池電解質(zhì)以硫酸水溶液為主，如鉛 酸電池n中性電池電解質(zhì)為鹽溶液，如鋅錳電池和 海水電池n有機電解質(zhì)電池電解質(zhì)為有機溶液，如鋰 電池、鋰離子電池 以電池所用正負極材料分類：n鋅系列電池鋅錳電池和鋅銀電池等n鎳系列電池鎳鎘電池和鎳氫電池等n鉛系列電池鉛酸電池等n鋰系列電池鋰離子電池和鋰錳電池等n二氧化錳系列電池鋅錳電池和堿錳電池n空氣（氧氣）系列電池鋅空氣電池 以工作特性和儲存方式分類：n一次電池又稱原電池，即不能再次充電的電池，

5、如鋅錳電池和鋰電池等n二次電池又稱蓄電池，即可充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等n燃料電池正、負極本身不包含活性物質(zhì)，活性材料連續(xù)不斷從外部加入的電池n儲備電池電池儲備時不直接接觸電解質(zhì)，直到電池使用時，才加入電解液，如鎂氯化銀（海水電池）。一次電池：n鋅錳電池：Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2(C)n堿性鋅錳電池：Zn|KOH,K2Zn(OH)4|MnO2(C)n鋅銀電池：Zn|KOH|Ag2On鋰錳電池：Li|LiClO4(PC,DME)|MnO2(C)n鋅空氣電池: Zn(Hg)|NH4Cl,ZnO|O2(C)二次電池蓄電池（二次電池）：電極反應可逆n 特點：可

6、循環(huán)使用n 例：鉛酸電池 Pb H2SO4 PbO2n鎘鎳電池 Cd KOH NiOOHn鐵鎳電池 Fe KOH NiOOHn氫化物鎳電池 MH/ KOH NiOOH四種主要的二次電池鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池性能對比 n技術(shù)參數(shù) 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 n工作電壓（V） 1.2 1.2 3.6n重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140n體積比能量(Wh/l) 150 200 300n充放電壽命(次) 500 500 1000n自放電率（%/月） 25-30 30-35 6-9 n有無記憶效應 有 有 無n有無污染 有 無 無 電池組成1 1）電極：電池的核心部分，由活性物質(zhì)添

7、加劑和 導電骨架組成n活性物質(zhì)要求：n比容量高；n電化學活性高；n在電解液中化學穩(wěn)定性好；n導電骨架要求：n集流性能好，分布均勻，柔軟性好 集電體活性物質(zhì)電池組成2n2）電解質(zhì)：主要組成之一，傳遞正、負極之間電荷n穩(wěn)定性強；n比電導高，歐姆壓降小；n化學穩(wěn)定性高。電解液電池組成3n3）隔膜：正、負電極之間，避免正、負極活性物質(zhì)直接接觸n在電解液中穩(wěn)定性好；n電子緣絕體，離子導體；n常用PP、尼龍；n強度高，透氣性好，耐氧化能力強,耐高、低溫能力強隔膜電池組成4n4）外殼（case）：n要求：機械強度、耐振動、耐沖擊、能耐高、低溫變化和電解液的腐蝕。電池原理n例：鎘鎳電池工作原理 化學能 電能n

8、成流反應n2NiOOH + Cd + 2H2O 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2nNiOOH + 2H2O + e- Ni(OH)2 + OH-nCd + 2OH- 2e- Cd(OH)2充電放電電池基本概念1n短路：電流不經(jīng)負載而由電源一端直接回到另一端，導致電路中電流猛烈加大，這就叫短路。n斷路：電路中電流不通叫斷路。n電流強度：單位時間內(nèi)通過導體某一截面，電荷量的代數(shù)和，常用字母“A”表示。n電壓：水要有水位差才能流動，同樣的，要使電荷作有規(guī)則的移動，必須在電路兩端有一個電勢差，這個電勢差叫電壓。常用字母“V”表示。電池基本概念2n電流：在電場力的作用下，自由電子或離子所發(fā)生的有規(guī)則

9、地運動稱為電流。n電阻：電子在物體內(nèi)移動所遇到的阻力叫電阻。電阻單位是歐姆，常用字母“”表示。電池的性能11、電動勢：兩電極電勢之差（平衡電極電法）電池的性能22、內(nèi)阻：R=R + Rf 電池的內(nèi)阻：是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。nR：電極材料、電解液、隔膜及各部分零件的接觸內(nèi)阻；nRf ：正、負極活性物質(zhì)進行電化學反應時所引起的內(nèi)阻，包括電化學極化和濃差極化所引起的電阻之和；nRf與活性物質(zhì)本身、電極結(jié)構(gòu)、制造工藝、電池工作條件等因素相關(guān)。電池性能33、開路電壓、工作電壓1n開路電壓：是指電池在非工作狀態(tài)下，即電路中無電流流過時，電池正負極之間的電勢差。n工作電壓：又稱端電

10、壓，是指電池的工作狀態(tài)下，即電路中有電流，流過時電池正負極之間的電勢差。 V = V開 IR電池性能33、開路電壓、工作電壓n終點電壓：電池在放電過程中，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的工作電壓為終點電壓。 如再繼續(xù)使電池放電則稱之為過放。過放對電池性能會產(chǎn)生破壞性影響，是導致電池零電壓及綜合性能下降的主要原因，在電池的檢測和使用過程中，應盡量避免過放。n 中點電壓：是指電池以一定的倍率放電至終點電壓的時間之中點的電池電壓。開路電壓標稱電壓電池電壓放電終止電壓電池性能44、容量、比容量：n理論容量(Co)（活性物質(zhì)100%利用）：nCo=26.8n=1/kmo（Ah）nmo為活性物質(zhì)的質(zhì)量；M為活性

11、物質(zhì)分子量；n為成流反應得失電子數(shù)；26.8為常數(shù)1克當量活性物質(zhì)反應時所放出電量；n實際容量（C）：C=0TIdTn恒流：ITn恒阻：0TVdTn額定容量（C額）：設(shè)計和制造電池時，規(guī)定或保證電池在一定放電條件下應該放出的最低限度的容量。容量電池能量放電深度電池性能55、能量,比能量： n理論能量（a、活性物質(zhì)100%利用；b、電極反應處于平衡狀態(tài)）：n Wo = CoEn實際能量： W = 0TIVdTn比能量： 體積比能量： W體 = （Wh/L） 重量比能量： W重 = （Wh/l）電池性能66、貯存性能和循環(huán)壽命：n貯存性能：（自放電） 電池的貯存性能是衡量電池綜合性能穩(wěn)定程度的一個

12、重要參數(shù)，電池經(jīng)過一定時間的貯存后，允許電池的容量及內(nèi)阻有一定程度的變化。電池自放電與活性物質(zhì)本身、電極結(jié)構(gòu)、制造工藝、電池工作條件等因素相關(guān)。n 循環(huán)壽命： 充、放電循環(huán)的數(shù)目。電池性能7n7、充放電效率和充放電倍率 充電效率：指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲存的化學能程序的量度。 放電效率：指電池在一定的放電條件下放電至終點電壓所放出的實際電量與電池的額定容量之比。 充放電倍率：是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常的字母是用C表示。 時率：又稱小時率：是指電池以一定的電流放完其額定容量所需要的小時數(shù)。 電池性能88、內(nèi)壓

13、 內(nèi)壓：指電池的內(nèi)部氣壓，是密封電池在充放電過程中，產(chǎn)生的氣體所致，主要受電池材料制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素影響。第三部分第三部分鋰離子電池基本知識鋰離子電池基本知識鋰離子電池結(jié)構(gòu)鋰離子聚合物電池方形鋰離子電池三種鋰電池結(jié)構(gòu)比較軟包裝鋰離子電池硬包裝鋰離子電池鋰聚合物電池外 殼鋁塑復合膜外殼鋁殼或鋼殼方型和鋼殼圓柱型鋁塑復合膜外殼電 芯卷繞式電芯卷繞式電芯疊片式或卷繞式電芯電解質(zhì)含鋰鹽的液態(tài)電解質(zhì)含鋰鹽的液態(tài)電解質(zhì)含鋰鹽的凝膠態(tài)電解質(zhì)特 點輕巧，電池尺寸可根據(jù)實際應用需要靈活改變，厚度可薄至1.0mm以下，長度可達到100mm以上電池較重；在制造薄型大面積電池方面受到限制輕巧，電池尺寸可根據(jù)實際

14、應用需要靈活改變，厚度可薄至1.0mm以下，長度可達到100mm以上性能比較軟包裝鋰離子電池硬包裝鋰離子電池鋰聚合物電池體積能量密度優(yōu)良差重量能量密度優(yōu)良良大電流放電性能優(yōu)優(yōu)良低溫放電性能優(yōu)優(yōu)差安全性能良差優(yōu)注：優(yōu)、良、差的比較是相對該三種電池而言，不涉及其它種類電池 鋰離子電池的特點 鋰離子蓄電池的一般特性：1、體積及質(zhì)量的能量密度高；其能量密度大于300Wh/L，比能量達110120Wh/kg， 分別是Ni/Cd、Ni/MeH電池的25和15倍 2、壽命長（大于1200次充、放電）， 3、單電池的輸出電壓高，為4.2 V； 3、自放電率小，可實現(xiàn)快速充放電，也可做成大容量的電池組。 4、在

15、60左右的高溫下也可以使用； 5、無記憶效應 6、不含有毒物質(zhì)等。鋰離子電池的性能鋰離子電池與其它二次電池性能比較性能階段Li-IonNi/CdNi/MH電池能量密度現(xiàn)在240260134155190197(Wh/L)將來400240280比能量(Wh/kg)現(xiàn)在10011449605970將來1507080平均電壓（V）3.61.21.2電壓范圍（V）4.23.51.41.01.41.0使用壽命現(xiàn)在5001200500500（次）將來150010001000優(yōu)點高電壓，高比能，自放電小，污染小高功率，快充，成本低高功率，高比能，污染小缺點成本高記憶效應，Cd污染成本高，自放電大鋰離子電池的市

16、場1全世界鋰離子電池應用分析全世界鋰離子電池應用分析(單位：百萬顆)應用別1997199819992000200120022003所占比例(%)筆記型計算機74.8105.9155.1191.8241.4296.1367.447.7數(shù)字調(diào)制解調(diào)器0.91.82.85.28.81116.92.2行動電話93.7124.4167.9143.1188.9238285.637.1攝錄像機1822.327.235.444.253.655.17.2數(shù)字式相機0.71.61.72.93.54.250.7迷你光驅(qū)3.65.78.613.417.32227.43.6掌上型終端機3.34.867.78.611.2

17、12.51.6合計195266.5369.3399.5512.7636.1769.9100鋰離子電池的市場2全世界小型二次電池長期需求量全世界小型二次電池長期需求量年代1997199819992000200120032005鎳鎘電池(億顆)1098.27.67.26.86.6鎳氫電池(億顆)6.16.46.56.56.66.66.7鋰離子電池(億顆)1.92.63.745.17.79.7鋰離子電池占有率(%)11152022273642BYD的電池的市場Li-ionNi-CdNi-MH2002SANYOSONY BYDPANASONICSAMSUNG GSTOSHIBA2002SANYOPAN

18、ASONICBYDGPIYUASA SAFT2002BYDSANYOPANASONICSAFTGPI2001SANYOSONY PANASONICBYDGSTOSHIBASAMSUNG2001SANYOPANASONICBYDMAXELLGPIYUASA SAFT2001SANYOBYDPANASONICSAFTGPI全球鋰離子電池生產(chǎn)廠商及客戶：0 01 12 23 34 45 56 67 7S Sa an ny yo oB BY YD DG GS S MMT TA AT T B BMM B BI IS S a am ms su un ng g S SD DI IMMa ax xe el l

19、l lL L G G C Ch he em mS S o on ny yN NE EC C T To ok ki in nO Ot th he er rs sL LI IB B/ /L L I IP P p pa ac ck k a an nd d c ce el ll l s sh hi ip pm me en nt t v vo ol lu um me e( (MM c ce el ll ls s/ /MM ) )N No ok ki ia aM Mo ot to or ro ol la aS Sa am ms su un ng gS So on ny y E Er ri i c cs s

20、s so on nL LG GE ES Si ie em me en ns sK KW WC CB Bi ir rd dP Ph hi il li ip ps sN NE EC CM MC CI IS Sh ha ar rp pO Ot th he er rs s原理1： 鋰離子二次電池的正負極都是插入化合物，以LiyMnYm表示負極材料，LizAvBw表示正極材料，則反應式可表示為： 負極：LiyMnYm+xLi+xe-=Lix+yMnYm 正極：LizAvBw=Liz-xAvBw+xLi+xe- 總反應： LiyMnYm+LizAvBw=Lix+yMnYm+Liz-xAvBw原理2 鋰離子

21、二次電池反應的實質(zhì)為一個Li+濃差電池：充電時，Li+從正極化合物中脫出并嵌入負極晶格，正極處于貧鋰態(tài)；放電時，Li+從負極脫出并插入正極，正極為富鋰態(tài)。為保持電荷的平衡，充、放電過程中應有相同數(shù)量的電子經(jīng)外電路傳遞，與Li+一起在正負極間遷移、使正負極發(fā)生氧化還原反應，保持一定的電位。工作電位與構(gòu)成電極的插入化合物的化學性質(zhì)、Li+的濃度有關(guān)。這種充、放電過程似一把搖椅，故鋰離子二次電池又稱搖椅電池（Rocking Chair Batteries,簡稱為RCB）。 原理3 鋰離子電池的電化學反應原理及特性：鋰離子電池的電化學反應原理及特性： 充電時：Li+從正極逸出，嵌入負極 放電時Li+則

22、從負極脫出，嵌入正極。 以LiCoO2為正極材料，石墨為負極材料的鋰離子電池，充放電反應式為： 工作原理圖工作原理圖 充充 電電 放放 電電 第四部分第四部分 鋰離子電池主要原材料鋰離子電池主要原材料正極材料 鋰離子電池常用的正極材料： 1、鋰鈷氧化物LiCoO2 2、鋰鎳氧化物LiNiO2 3、鋰錳氧化物LiMn2O4 4 、其它正極材料：納米正極材料 ，共混電極， 釩氧化物 ，其他層狀化合物 我們采用是： LiCoO2負極材料 鋰離子電池常有的負極材料： 1、石墨和改性石墨 2、高度石墨化碳 3、不含氫無序碳 4、含氫無序碳 我們生產(chǎn)中采用的是：石墨和改性石墨電解液 鋰離子電池常用的電解液

23、為： 目前鋰離子二次電池主要使用的鋰鹽有：LiClO4、LiAsF 6、LiPF6等，一般將它們?nèi)芙庥诜琴|(zhì)子性的有機溶劑中，如PC（碳酸丙烯酯）、 EC（碳酸乙烯酯)、 DMC (碳酸二甲酯)、THF (四氫呋喃)、 DME（乙二醇二甲醚）等，為了改善性能常采用混合有機溶劑。 我們生產(chǎn)采用的是： LiPF 6溶于DMC中 隔膜紙 鋰離子電池常用的隔膜材料為： 1、PP（聚丙烯微孔膜） 2、PE（聚乙烯微孔膜） 3、PP/PE/PP（ 聚丙烯聚乙烯微孔膜） 我們生產(chǎn)采用的是：PP和PE紙第五部分第五部分鋰離子電池生產(chǎn)流程鋰離子電池生產(chǎn)流程電池生產(chǎn)流程 1、配料 將活性物質(zhì)、導電劑、粘結(jié)劑、溶劑按

24、照一定的比例均勻的混合在一起，配制成溶漿料的過程。 2、拉漿 通過設(shè)備將配置好的漿料均勻的粘附在集流體上的過程。 3、制片 將拉漿制成的大片采用不同的設(shè)備制成滿足工藝要求的卷繞的極片的過程。 電池生產(chǎn)流程 4、卷繞 將極片、隔膜紙按照一定的層次，通過設(shè)備卷繞在一起并放入電池外殼內(nèi)的過程 5、焊接 通過設(shè)備將電池的蓋板和殼體焊接在一起的過程， 6 、 注液 將電解液注入電池殼體的過程電池生產(chǎn)流程 7、化成 電池制造后，通過一定的充放電方式將內(nèi)部正負極活性物質(zhì)激活，改善電池的充放電性能及自放電、貯存等綜合性能的過程稱為化成。 注：電池經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)其真實性能。 8、封口 通過一定的方法將注液孔

25、密封起來的過程。 9、分容： 電池在制造過程中，因工藝原因使得電池的實際容量不可能完全一致，通過一定的充放電制度檢測，并將電池按容量分容的過程稱為分容。 第六部分第六部分 鋰離子電池的性能容量對鋰離子電池容量影響的因素有： 正極活性物質(zhì)的含量（負極活性物質(zhì)的含量）； 電解液的組成與配比和活性物質(zhì)的匹配性； SEI膜的形成情況； H2O的含量；循環(huán)壽命 電池壽命是評價電池優(yōu)劣的一個重要指標，一般以電池容量降低到某一特定值的充、放電循環(huán)次數(shù)來度量。影響因素有： 1、電極材料；可逆性好，充、放電循環(huán)中結(jié)構(gòu)變化小的電極材料可使電池的壽命長 2、電解質(zhì)種類及配比、鋰鹽的選擇和溶劑的配比可影響SEI膜的質(zhì)量， 凡可提高SEI膜的質(zhì)量者則又利于延長電池壽命；若在初次充電中電壓未達到Li+ 的嵌入電壓之前SEI膜就已形成，則電極的穩(wěn)定性就提高；循環(huán)壽命 3、充放電速率；加入添加劑、 低速率放電利于延長電池壽命； 4、放電深度；放電太深可使負極達到鋰的析出電位，發(fā)生鋰沉積， 這時正極中