鋰離子電池工作原理

1、1鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)鋰是鋰離子電池的核心，它是最輕的金屬元素，金屬鋰的比重只有水的一半，鋁是較輕的 金屬，鋰的比重只有鋁的五分之一。鋰的電負(fù)性是所有金屬中最負(fù)的，鋰離子的還原電位高達(dá) -3V。根據(jù)計(jì)算，1克鋰轉(zhuǎn)化為鋰離子時(shí)所能得到的電荷數(shù)為3860mAh，加之它的大于3V的工作電壓，鋰作為電池的負(fù)極材料當(dāng)之無(wú)愧輕量級(jí)的大力士。早期負(fù)極為金屬鋰的鋰電池”但金屬鋰的化學(xué)活性太大，充電時(shí)產(chǎn)生的枝晶會(huì)使電池短路，目前尚未真正解決其安全問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索、研究，發(fā)現(xiàn)鋰可與許多金屬形成合金， 其活性要小許多，更奇妙的是鋰可以在許多層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)中可逆地嵌入和脫出。鋰以這些材 料為載體就安全多了。鋰離子電

2、池的未來(lái)將發(fā)展新的正負(fù)極材料，如部分動(dòng)力電池：負(fù)極 LiC+正極LiMn2O4鋰聚合物電池。在正、負(fù)電極粘結(jié)劑、電解質(zhì)三者中任何一種使用高分子聚合物的鋰離子電池就 可以成為鋰聚合物電池?，F(xiàn)在常見(jiàn)的是使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質(zhì)的鋰聚合物電池。1.1鋰離子電池簡(jiǎn)介? 正極采用鋰化合物 LixCoO2、LixNiO2、LiFePO4或 LixMnO2? 負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)i xC6。? 電解質(zhì)為溶解有鋰鹽 LiPFe、LiAsF 6等有機(jī)溶液。充電池時(shí)，此時(shí)正極上的電子從通過(guò)外部電路跑到負(fù)極上，正鉀離子Li+從正極 跳進(jìn)”電解液里， 爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑

3、過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實(shí)是在外電路加一個(gè)可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實(shí)質(zhì)都是在電池正負(fù)極加一個(gè)電阻讓電子通過(guò)。由此可知，只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會(huì)放電。電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路不同，放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極 跳進(jìn)”電解液里，爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，游泳”到達(dá)正極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。離子電池又稱為 搖椅電池”是指以可供鋰離子嵌入脫嵌的物質(zhì)作為正、負(fù)極的二次電 池。電解質(zhì)一般采用溶解有鋰鹽的有機(jī)溶液，根據(jù)所用

4、電解質(zhì)的狀態(tài)，可分為液態(tài)鋰離子電池、聚合物鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池。1.2鋰離子電池的工作原理(1) 鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理一個(gè)鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，外加正負(fù)極引線，安全閥，PTC(正溫度控制端子)，電池殼等。雖然鋰離子電池種類繁多，但其工作原理大致相同。充電時(shí)，鋰 離子從正極材料中脫嵌，經(jīng)過(guò)隔膜和電解液，嵌入到負(fù)極材料中，放電以相反過(guò)程進(jìn)行。以典 型的液態(tài)鋰離子為例，當(dāng)以石墨為負(fù)極材料，以LiCoO 2為正極材料時(shí)，其充放電原理為：? 正極反應(yīng)：LiCoO 2= Li 1-xCoO2 + xLi + + xe-? 負(fù)極反應(yīng)：6C + xLi + + xe- =

5、Li xC6? 電池總反應(yīng)：LiCoO 2 + 6C =Li 1-xCoO2 + Li xC6? 放電時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。充電時(shí)，Li+從LiCoO 2中發(fā)生脫嵌，釋放一個(gè)電子，C3+被氧化為C4 +，與此同時(shí)，Li+經(jīng)過(guò)隔膜和電解液遷移到負(fù)極石墨表面，進(jìn)而插入到石墨結(jié)構(gòu)中，石墨結(jié)構(gòu)同時(shí)得到一個(gè)電子，形成 鋰一碳層間化合物L(fēng)ixC6,放電時(shí)過(guò)程則相反，Li+從石墨結(jié)構(gòu)脫插，嵌入到正極 LiCoO 2中。(2) 鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn) 能量密度高，輸出功率大。 平均輸出電壓高(約3.6V)，為Ni-Cd、Ni-MH電池的三倍。 工作溫度圍寬，一般能在 -20-45 C,期望值為-40-70 C。

6、無(wú)記憶效應(yīng)。 可快速充放電，充放電效率高，可達(dá)100% 沒(méi)有環(huán)境污染，稱為綠色電池。 使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)1200次左右。（3）鋰離子電池結(jié)構(gòu)正極t:正極基體：鋁箔（約0.016mm厚）正極物質(zhì)：LiFePO4+碳黑+PVDF負(fù)極隔膜：放置于兩極之間，作為隔離電極的裝置，藉以避免兩極上的活性物質(zhì)直接接觸而造成 電池部的短路。但隔膜仍需能讓帶電離子通過(guò)，以形成通路。要求：離子透過(guò)度大； 機(jī)械性強(qiáng)度適當(dāng)；本身為絕緣體； 不與電解液及電極發(fā)生反應(yīng)。材料：?jiǎn)螌覲E （聚乙烯）或者三層復(fù)合 PP （聚丙烯）+PE+PP厚度：?jiǎn)螌右话銥?0.0160.020mm三層一般為0.0200.025mm電解液性質(zhì)：無(wú)

7、色透明液體，具有較強(qiáng)吸濕性。環(huán)境水應(yīng)用：主要用于可充電鋰離子電池的電解液，只能在干燥環(huán)境下使用操作（如 分小于20ppm的手套箱）。規(guī)格：溶劑組成 DMC:EMC:EC =1:1:1 （重量比）LiPF6 濃度 1mol/l1.23 0.03 20ppm 50ppm10.4 0.5 ms/ cm質(zhì)量指標(biāo)：密度（25 C） g/cm3 水分（卡爾費(fèi)休法） 游離酸（以HF計(jì)） 電導(dǎo)率（25C）2鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程正極配料負(fù)極配料正極涂布正極制片O負(fù)極涂布負(fù)極制片壓鋼珠清洗預(yù)充常溫?cái)R置1_分容測(cè)內(nèi)阻測(cè)厚度正極焊片裁隔膜U正極+隔膜+負(fù)極負(fù)極焊片高溫老化注電貼面墊包裝全檢、吸塵解液出貨檢驗(yàn)L匚壓芯

8、5T：烘烤脫岀貨一測(cè)短路片、包頂激光焊客戶N入殼二測(cè)短路包底、放絕緣圓柱型鋰離子電池的制造工藝流程3鋰離子電池生產(chǎn)用的主要設(shè)備(1) 真空行星攪拌機(jī) (將各種電池材料均勻的攪拌成漿狀)(2) 電極涂布機(jī)：攪拌后的漿料均勻涂膜在金屬箔片上。對(duì)漿料的涂布厚度精確到 3微米以下。(3) 輥壓機(jī)(涂布后的極片進(jìn)一步壓實(shí)，提高電池的能量密度)(4) 極片分切設(shè)備(5) 全自動(dòng)超聲焊接導(dǎo)電柄設(shè)備(6 )卷繞機(jī)：(將制造好的極片卷繞成電池)(7 )手套箱：(保證在低濕度環(huán)境下將電解液與卷芯封裝在一起)(8) 注液機(jī)：(保證高精度的流水化將電解液真空注入電池包裝材料)(9) 焊接設(shè)備(10) 滾槽、封裝設(shè)備(

9、11) 化成測(cè)試設(shè)備(將做好的電池充電活化，產(chǎn)生電壓，同時(shí)測(cè)試電池的容量) 4鋰離子電池的命名(1) 圓柱形的命名用三個(gè)字母和5位數(shù)字來(lái)表示，前兩個(gè)字母表示鋰離子電池 (LI)，后一個(gè)字母表示圓柱形 (R)，前兩位數(shù)字表示以 mm為單位的最大直徑，后三位數(shù)字表示以 0.1mm為單位的最大高度， 如LIR18500即表示直徑為18mm高50mm的圓柱形鋰離子電池。方形的命名用三個(gè)字母和6位數(shù)字來(lái)表示，前兩個(gè)字母表示鋰離子電池(LI)，后一個(gè)字母表示方形(S)，前兩位數(shù)字表示以 mr為單位的最大厚度，中間兩位數(shù)字表示以mr為單位的寬度，后兩位數(shù)字以mr為單位的最大高度，如 LIS043048即表示

10、厚度為4mm寬30mm高48mnT勺方形鋰離子電池。 5鋰離子電池性能? 常規(guī)性能：容量 電壓阻? 可靠性性能：循環(huán)壽命放電平臺(tái) 自放電貯存性能 高低溫性能? 安全性能：過(guò)充短路針刺跌落濕水低壓振動(dòng)5.1容量? 電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為電池的容量，以符號(hào)C表示。? 常用的單位為安培小時(shí)，簡(jiǎn)稱安時(shí)( Ah)或毫安時(shí)(mAh )。? 電池的容量可以分為理論容量、額定容量、實(shí)際容量。? 理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，單位為Ah/kg ( mAh/g)或 Ah/L(mAh/

11、cm3)。? 實(shí)際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積， 單位為Ah，其值小于理論容量。? 額定容量也叫保證容量，是按國(guó)家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。5.2電壓? 開(kāi)路電壓：電池在開(kāi)路狀態(tài)下的端電壓。電池的開(kāi)路電壓等于電池的正極的還原電極電勢(shì)與負(fù)極電極電勢(shì)之差。? 工作電壓：電池接通負(fù)載后在放電過(guò)程中顯示的電壓，又稱放電電壓。? 初始電壓：在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。電池在接通負(fù)載后，由于歐姆電阻和極化過(guò)電位的存在，電池的工作電壓低于開(kāi)路電壓。5.3阻? 電流通過(guò)電池部時(shí)受到阻力，使電池的電壓降低，此阻力

12、稱為電池的阻。? 電池的阻不是常數(shù)，在放電過(guò)程中隨時(shí)間不斷變化，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的組成、電解液濃度 和溫度都在不斷地改變。? 電池阻包括歐姆阻和極化阻，極化阻又包括電化學(xué)極化與濃差極化。阻的存在，使電池 放電時(shí)的端電壓低于電池電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓，充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓。? 歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關(guān)系，常隨電流 密度的對(duì)數(shù)增大而線性增大。5.4循環(huán)壽命? 電池在完全充電后完全放電，循環(huán)進(jìn)行，直到容量衰減為初始容量的80%,此時(shí)循環(huán)次數(shù)即為該電池之循環(huán)壽命? 循環(huán)壽命與電池充放電條件有關(guān)? 鋰離子電池室溫下 1C充放電循環(huán)壽命可達(dá) 300-500次（行業(yè)

13、標(biāo)準(zhǔn)），最高可達(dá)1000次 以上。6電池不良項(xiàng)目及成因（1）容量低產(chǎn)生原因：a.附料量偏少；b.極片兩面附料量相差較大；c.極片斷裂；d.電解液少e.電解液電導(dǎo)率低；f.正極與負(fù)極配片未配好（偏輕）；g.隔膜孔隙率??；h. 膠粘劑老化（高溫附料脫落；i. 卷芯超厚（極片壓片厚度過(guò)大、未烘干或電解液未滲透）j.分容時(shí)未充滿電；k.正負(fù)極材料比容量小。（2）阻高產(chǎn)生原因：a.負(fù)極片與極耳虛焊/假焊；b.正極片與極耳虛焊/假焊；c. 正極耳與蓋帽虛焊/假焊；d.負(fù)極耳與殼虛焊/假焊；e.鉚釘與壓板接觸阻大；f.正極未加導(dǎo)電劑；g.電解液鋰鹽分解； h.電池曾經(jīng)發(fā)生短路；i.隔膜紙孔隙率小。（3）電壓

14、低產(chǎn)生原因：a.副反應(yīng)（電解液分解；正極有雜質(zhì)；有水） ；b.未化成好（SEI膜未形成安全）；c. 客戶的線路板漏電（指客戶加工后送回的電芯）；d. 客戶未按要求點(diǎn)焊（客戶加工后的電芯）；e. 毛刺，粉塵；f.微短路；g.負(fù)極界面產(chǎn)生枝晶。（4）變形量過(guò)大的原因有以下幾點(diǎn)：a.焊縫漏氣;b.電解液過(guò)少；c.未烘干水分;d.蓋帽密封性差；e. 殼壁太厚；f.殼太厚;g.卷芯太厚（附料太多；極片未壓實(shí)；隔膜太厚）。（5）起鼓成因有以下幾點(diǎn)a.未化成好（SEI膜不完整、致密）；b.烘烤溫度過(guò)高t粘合劑老化t脫料；c.負(fù)極比容量低；d.正極附料多而負(fù)極附料少； e.蓋帽漏氣，焊縫漏氣；f. 電解液分解

15、，電導(dǎo)率降低。g電池制作過(guò)程吸水（6）爆炸a.分容柜有故障（造成過(guò)充）；b.隔膜閉合效應(yīng)差；c.部短路；d.外部短路；（7）短路a.料塵；b.裝殼時(shí)裝破；c.卷繞不齊（隔膜紙?zhí)』蛭磯|好）；d.包膠不良；e.隔膜有洞；f.毛刺（8）斷路a、極耳與鉚釘未焊好，或者有效焊點(diǎn)面積小，完成脫落。b、連接片斷裂（連接片太短或與極片點(diǎn)焊時(shí)焊得太靠下）鋰電池的使用和保護(hù)1 負(fù)極枝晶效應(yīng)（LithiumDendrides）在充電的過(guò)程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進(jìn)入電解液，在充電器附加的外電場(chǎng)作用下 向負(fù)極移動(dòng)，依次進(jìn)入石墨或焦炭 C組成的負(fù)極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過(guò)快， 會(huì)使得Li+

16、來(lái)不及進(jìn)入負(fù)極柵格，在負(fù)極附近的電解液中就會(huì)聚集Li+，這些靠近碳 C負(fù)極的Li+很可能從負(fù)極俘獲一個(gè)電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會(huì)在負(fù)極附近堆積、長(zhǎng)大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。另一種情形，隨著負(fù)極的充滿程度越高，LiC晶格留下的空格越少，從正極移動(dòng)過(guò)來(lái)的Li+找到空格的機(jī)會(huì)就困難，時(shí)間就越長(zhǎng)。如果充電速度不變的話，一樣可能在負(fù)極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段必須逐步縮小充電電流。枝晶的長(zhǎng)大會(huì)刺破正負(fù)級(jí)之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂?，充電的速度越快越危險(xiǎn)，充電終止的電壓越高也就越危險(xiǎn)，充電的時(shí)間越長(zhǎng)也越危險(xiǎn)。由前所述，鋰離子電池的電壓過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)造成嚴(yán)重問(wèn)題?根據(jù)實(shí)際

17、使用情況，劃分了鋰離子電池電壓的幾個(gè)區(qū)域不同的電芯制造商雖有區(qū)別但區(qū)別不大。咼壓危險(xiǎn)區(qū)：保護(hù)線路過(guò)充保護(hù)電壓件2754.35V)高壓警戒區(qū)：鋰離子電池充電限制電壓4.20V正常使用區(qū)：鋰離子電池放電終止電壓 (2.753.00V)低壓警戒區(qū)：保護(hù)線路過(guò)放保護(hù)電壓(2.32.5V)2鋰電池的保護(hù)電路? 一次保護(hù)：提供過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等可恢復(fù)通斷管理?由于外部MOSFET的溫度不能提供給保護(hù) IC,而且導(dǎo)通電阻的大小有很大的離散性，使得過(guò)流和短路檢測(cè)的精度受到限制?二次保護(hù)：提供不可恢復(fù)的過(guò)壓或過(guò)溫度關(guān)斷一次保護(hù)IC+MOSFET可以實(shí)現(xiàn)功能：1. 過(guò)充保護(hù)。當(dāng)電芯的電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)IC切斷

18、右邊的 MOSFET，電芯電壓回歸到允許的電壓，MOSFET恢復(fù)導(dǎo)通?典型過(guò)充檢測(cè)電壓4275V+/-0.025V ,電芯電壓一超過(guò)這個(gè)值，就觸發(fā)過(guò)充保護(hù)?典型過(guò)充釋放電壓 4175V+/-0.030V ,處于過(guò)充保護(hù)的電芯電壓降到這個(gè)值時(shí)才會(huì)停止保護(hù)2. 過(guò)放保護(hù)。當(dāng)電芯的電壓低于設(shè)定值時(shí)，由保護(hù)IC切斷左邊的 OSFET,等電芯電壓回歸到允許的電壓時(shí)，恢復(fù) MOSFET的導(dǎo)通?典型過(guò)放檢測(cè)電壓 23V+/-0.08V?典型過(guò)放釋放電壓:2.4V3. 過(guò)流保護(hù)。當(dāng)工作電流超出設(shè)定值時(shí)，保護(hù)IC切斷MOSFET管。等工作電流回歸到允許的電壓，MOSFET恢復(fù)導(dǎo)通。保護(hù)IC判斷電流流過(guò) MOSF

19、ET而產(chǎn)生的壓降，用這個(gè)電壓除于 MOSFET 的導(dǎo)通阻抗就可以近似得到過(guò)流保護(hù)的電流，一般在310A左右4. 短路。這個(gè)功能是過(guò)流保護(hù)的擴(kuò)展，當(dāng)保護(hù)IC檢測(cè)出電流大于設(shè)定閾值之，立即切斷回路，瞬態(tài) 短路后電池的輸出正負(fù)極的電壓為零，而實(shí)際電芯的電壓還是正常的，對(duì)電池進(jìn)行充電就可以 解除此保護(hù)二次保護(hù)IC在一些安全要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，為確保安全，在一次保護(hù)的基礎(chǔ)上加裝二次保護(hù)，在電池異常出現(xiàn)的時(shí)候可以燒毀保險(xiǎn)絲，永久性阻止異常電池繼續(xù)使用，防止問(wèn)題進(jìn)一步擴(kuò)大他電池的儲(chǔ)藏和運(yùn)輸輕扁了噸池的幡藏會(huì)&較冷|再電壓電僮崔堂應(yīng)盤屬擔(dān)的微砂砒f的分解ra電狀擊導(dǎo)建屯植保護(hù)慝甘解，&致鮮童下降寧最下降卿嶄鮭度*商骯狀撫的關(guān)羸存月40啊荷試念State of Charge100鶴倚電狀態(tài)i StatB of Charge)oc93%94%25C96%00%40C85%65%6(PC75%60%桂薦的儲(chǔ)藏艇農(nóng)荷記水，是!嘰汕瓦低尸