鋰離子電池基本知識(shí)與制造工藝----培訓(xùn)材料

1、鋰離子電池基本知識(shí)與制鋰離子電池基本知識(shí)與制造工藝造工藝于洋于洋07/21/201407/21/2014OUTLINE電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池結(jié)構(gòu) 動(dòng)力電池存貯、裝卸 電池包的安全操作電池原理與化學(xué)電池發(fā)展電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 化學(xué)電池基本構(gòu)成：正極、負(fù)極、電解液隔離膜、導(dǎo)線、外包裝物電極反應(yīng)： 放電： 陽(yáng)極：Cu2+ +2e-=Cu 陰極：Zn-2e-=Zn2+電池的能量：電池能量=電勢(shì)差*電量電勢(shì)差正負(fù)極材的電位決定電量通過(guò)線路中的電子總量伏打電池丹尼爾電池電池原理與化學(xué)電池發(fā)展電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 電池分類：一次電池（原電池），如鋅錳干電池、堿性

2、電池、銀電池二次電池（蓄電池），如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池燃料電池，氫、甲烷、甲醇燃料電池太陽(yáng)能電池 常見(jiàn)二次電池的基本參數(shù)：電池原理與化學(xué)電池發(fā)展電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 1991, Sony:C6 / Li-salt in PC-EC / Li1-xCoO2 In 1995, Bellcore: Polymer new process P1 鋰二次電池研發(fā)分為金屬鋰二次電池、鋰離子電池與鋰聚合物電池三個(gè)階段。 1999年，鋰離子聚合物電池正式投入商業(yè)化生產(chǎn)，松下公司為首的8家公司均有產(chǎn)品推出，因此，1999年被日本人稱為鋰聚合物電池的元年。它以碳為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極；在充放電過(guò)程中

3、，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池名稱的由來(lái)。 電池發(fā)展：OUTLINE電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池結(jié)構(gòu) 動(dòng)力電池存貯、裝卸 電池包的安全操作鋰離子電池性能與安全工業(yè)社會(huì)的發(fā)展對(duì)便攜電子設(shè)備的依賴越來(lái)越高，作為設(shè)備能源提供的電池必須俱備更高的能量密度、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命及安全性。1992年商品化的鋰離子電池提供可能性主要用途主要用途電子儀表航空動(dòng)力消費(fèi)用品電動(dòng)車輛動(dòng)力鋰電池性能與安全 傳統(tǒng)而又新興的電動(dòng)車行業(yè)對(duì)于中國(guó)汽車工業(yè)，新能源汽車是實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的難得機(jī)遇鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池的優(yōu)勢(shì) 鋰離子電池（Li-on Battery）是目前最佳能

4、量存儲(chǔ)方案，同時(shí)兼?zhèn)涓吖β拭芏群透吣芰棵芏?，是?dāng)前電動(dòng)汽車選用鋰離子電池的根本原因鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池結(jié)構(gòu)陰極 ：鋰離子鹽，由含鋰的過(guò)渡金屬氧化物組成，常用的 材料有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。陽(yáng)極 ：石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中間相 碳微粒。鋰離子存貯倉(cāng)庫(kù)隔離膜 ：一種特殊的復(fù)合膜，它的功能是隔離正負(fù)極，阻止 電子穿過(guò)，同時(shí)能夠允許鋰離子通過(guò)，從而完成在 電化學(xué)充放電過(guò)程中鋰離子在正負(fù)極之間的快速傳 輸。目前主要是聚乙烯(PE)或者聚丙烯(PP)。隔離 陰陽(yáng)極，防止短路，離子導(dǎo)通，電子隔絕電解液 ：一種有機(jī)電解液，大部分是由六氟磷酸鋰（LiFL6） 加上有機(jī)溶劑

5、配成。鋰離子通道。極柱 ：Ni(Cu)、Al，電子通道，接外電路包裝膜 ：不銹鋼殼，保持穩(wěn)定的電化學(xué)環(huán)境.外包裝絕緣膜工作原理：工作原理： 當(dāng)外部電源給電池充電當(dāng)外部電源給電池充電, ,此時(shí)正極上的電子此時(shí)正極上的電子e e從通過(guò)外從通過(guò)外部電路跑到負(fù)極上部電路跑到負(fù)極上, ,鋰離子鋰離子Li+Li+從正極從正極“跳進(jìn)跳進(jìn)”電解液里，電解液里，“爬過(guò)爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳游泳”到達(dá)負(fù)極，到達(dá)負(fù)極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。當(dāng)電池放電時(shí)，機(jī)理與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。當(dāng)電池放電時(shí)，機(jī)理與充電是剛好是相反的，以與充電是剛好是相反的，以LiFePOLiFeP

6、O4 4為例，其化學(xué)反應(yīng)為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：方程式為：鋰離子電池性能與安全鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)充電 ： 正極 - Li1MO2-Li1-xMO2 +x Li+ +xe- 負(fù)極 - C + x Li+ +x e- CLix放電： 正極- Li1-xMO2 +x Li+ +xe- - LiMO2 負(fù)極-CLix - C + xLi+ +e-鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池陰極材料：LxMyOzli.e LiCoO2 LiNi(1-x)CoxMn(1-x)/2O2 LiMnO4 LiFePO4LiCoO2LiFePO4鋰離子電池性能與

7、安全電解液電解液材料組成材料組成使用碳酸酯作為溶劑時(shí)，因?yàn)殚W點(diǎn)較低，在較低的溫度下即會(huì)閃燃，安全性較差。氟代溶劑（包括氟代酯和氟代醚）具有較高的閃點(diǎn)甚至無(wú)閃點(diǎn)，有利于抑制電解液的燃燒。氟代劑對(duì)電池性能損害較小，抑制電解液燃燒效果明顯，但氟化物的使用將大大增加鋰離子電池的生產(chǎn)成本。目前商用鋰離子電池以EC、DMC為溶劑，以LiPF6為鋰鹽，具有較高的離子導(dǎo)電率與較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池陰極材料性能比較 基于安全與成本因素，磷酸鐵鋰是目前技術(shù)水平條件下，最好選擇。鋰離子電池性能與安全 石墨陽(yáng)極材料天然石墨負(fù)極材料電鏡照片F(xiàn)SNC-1石墨化后的電鏡照片鋰離子電池性能與安全

8、 石墨陽(yáng)極材料容量 滿充電時(shí)：LiC66C+Li+e-6個(gè)C原子能放出1個(gè)電子6摩爾C原子(72克）能放出1摩爾電子1摩爾電子的電量=1.60217733*10-19*6.022*1023 =96485庫(kù)倫 =26.80安時(shí)理論石墨克容量=26.80/72=372毫安時(shí)實(shí)際石墨克容量=280370毫安時(shí)鋰離子電池性能與安全 理想正負(fù)極材料的特征具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu)，利于鋰離子電池的嵌入和脫出充放電過(guò)程中，盡可能容易的嵌入和脫出，具有高的化學(xué)容量鋰離子嵌脫時(shí)，有比較平穩(wěn)的充放電電壓鋰離子有較大的擴(kuò)散系數(shù)，減少離子移動(dòng)時(shí)的能耗，保證良好的充放電性能嵌入化合物應(yīng)當(dāng)便宜，污染小，質(zhì)量輕鋰離子電池性

9、能與安全 鋰離子電池設(shè)計(jì)安全性電池內(nèi)部幾乎為真空，在密閉環(huán)境下充放電隔膜具有高溫保護(hù)功能，當(dāng)溫度達(dá)到130度，離子無(wú)法通過(guò)， 切斷電路充電或放電電流過(guò)大時(shí)，電芯內(nèi)部的保護(hù)板會(huì)切斷電流安裝在PTC溫度控制端子或保險(xiǎn)絲，可限制電流 過(guò)大時(shí)產(chǎn)生 的高溫鋰離子電池性能與安全 鋰離子電池設(shè)計(jì)安全性 鋰離子電池是已成功的商業(yè)化且安的電池 每年超過(guò)20億的產(chǎn)量 過(guò)充、過(guò)放、低溫循環(huán)會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞鋰離子電池性能與安全 過(guò)放電 電壓放到2.0V，陽(yáng)極銅集電體 溶于電解液，在陰極析出，生成銅枝晶，刺破隔離膜，造成短路 加熱 加熱超過(guò)150溫，導(dǎo)致熱失控（化學(xué)能電化學(xué)能，陰極結(jié)構(gòu) 塌陷 低溫充電 溫度低于0度，對(duì)電池充

10、電，在陽(yáng)極表面有鋰析出，過(guò)程為不可逆反應(yīng)，損害電池。 E=E0-RT/nFlg氧化態(tài)/還原態(tài)鋰電池鋰電池充電曲線（充電曲線（ CC-CVCC-CV模式模式）鋰離子電池性能與安全恒壓模式一般被稱為涓流充電，其電流一般很?。ń档胶銐耗Ｊ揭话惚环Q為涓流充電，其電流一般很小（降到0.1C0.1C以下）以下） ，一般用，一般用整個(gè)充電時(shí)間的整個(gè)充電時(shí)間的1/31/3充滿容量的充滿容量的1/101/10。鋰離子電池性能與安全鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰電池性能LFP電芯標(biāo)準(zhǔn)充電曲線：安全上限電壓3.8V LFP電芯標(biāo)準(zhǔn)放電曲線：安全下限電壓2.5VLFP電芯在不同溫度下的放電容量LEP電池系統(tǒng)對(duì)溫度敏感

11、66Ah電芯為例：充放電電芯表面溫升LFP 電池系統(tǒng)也要做好熱處理 正極正極材料材料磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡(jiǎn)稱LFP）電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，其工作原理和鋰離子電池是一樣的。 LiFePO4正確的化學(xué)式為L(zhǎng)iMPO4，（M 可以是任何金屬，如 Fe，Co，Mn，Ti等）。其物理結(jié)構(gòu)為橄欖石結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)來(lái)看，可以用在鋰離子電 池的正極材料還有AyMPO4, Li 1-xMFePO4, LiFePO4.MO等都 可以做正極材料。其特色是不含貴重元素，原料價(jià)格低且磷，鐵，鋰在地球上 的資源含量豐富，供料不會(huì)存在很大問(wèn)題。除具有鋰電池的共性特點(diǎn)外，還有一

12、些特有的優(yōu)點(diǎn)，比如其 工作電壓適中（3.2V），容量大(170mAh/g)，高放電功率，可 快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)（高達(dá)2000次），在高溫與高熱環(huán)境 下的穩(wěn)定性高。 磷酸磷酸鐵鐵鋰鋰工作原理圖工作原理圖 宏觀圖宏觀圖微觀結(jié)構(gòu)圖微觀結(jié)構(gòu)圖LiFePOLiFePO4 4電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子電池在充電時(shí)，正極中的鋰離子LiLi+ +通過(guò)通過(guò)聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過(guò)程中，負(fù)極中聚合物隔膜向負(fù)極遷移；在放電過(guò)程中，負(fù)極中的鋰離子的鋰離子Li+Li+通過(guò)隔膜向正極遷移。通過(guò)隔膜向正極遷移。 磷酸鐵鋰與錳酸鋰的電性能比較磷酸鐵鋰與錳酸鋰的電性能比較 生產(chǎn)鋰離子動(dòng)力電池必然要對(duì)正極材料進(jìn)行選擇。

13、雖然從理論上講，可以提供選擇的正極材料品種繁多，但是目前真正可以應(yīng)用商業(yè)生產(chǎn)用途的鋰離子正極材料很少，歸納下來(lái)只有磷酸鐵鋰、錳酸鋰材料。下面我們對(duì)兩種材料進(jìn)行一下對(duì)比：磷酸鐵鋰與錳酸鋰的電性能比較磷酸鐵鋰與錳酸鋰的電性能比較 通過(guò)以上比較，兩種正極材料各自存在的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，但磷通過(guò)以上比較，兩種正極材料各自存在的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，但磷酸鐵鋰的原物料來(lái)源更廣泛，價(jià)格更低廉，最重要的一點(diǎn)是它酸鐵鋰的原物料來(lái)源更廣泛，價(jià)格更低廉，最重要的一點(diǎn)是它無(wú)環(huán)境污染。并且它存在的一些缺點(diǎn)現(xiàn)在已經(jīng)有廠家通過(guò)技術(shù)無(wú)環(huán)境污染。并且它存在的一些缺點(diǎn)現(xiàn)在已經(jīng)有廠家通過(guò)技術(shù)手段已經(jīng)大部分改進(jìn)了，并且已經(jīng)能夠很好地商業(yè)化運(yùn)作了。

14、手段已經(jīng)大部分改進(jìn)了，并且已經(jīng)能夠很好地商業(yè)化運(yùn)作了。鋰電鋰電芯生產(chǎn)工藝芯生產(chǎn)工藝抽真空封裝后成為單體電池卷好的負(fù)正負(fù)極片電解液正極片隔膜負(fù)極片正極材料鋁箔負(fù)極材料銅箔涂覆涂覆卷繞放入電池外外殼里注入電池外外殼里攪拌攪拌分切分切灌注電解液灌注電解液焊接頂蓋焊接頂蓋卷繞卷繞涂布涂布分組分組靜置靜置封裝封裝靜置靜置化成化成容量測(cè)試容量測(cè)試OUTLINE電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池結(jié)構(gòu) 動(dòng)力電池存貯、裝卸 電池包的安全操作 主要部件外箱 ：支架作用，箱體、上蓋、絕緣膜、極柱模組 ：工作單元，電芯、BUSBARBMS : 控制系統(tǒng)，BMU、電壓采集線、溫度采集線繼電器

15、 : 開(kāi)關(guān)熔斷器 ：安全保護(hù)熱管理：全天候運(yùn)行保證，加熱片、風(fēng)扇其他 ：正負(fù)極引線、支架磷酸鐵鋰動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池結(jié)構(gòu) 電芯與模組采集線電壓采集溫度采集 電池包M30前箱后箱 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)OUTLINE電池原理與化學(xué)電池發(fā)展 鋰離子電池性能與安全 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池結(jié)構(gòu) 動(dòng)力電池存貯、裝卸 電池包的安全操作 貯存動(dòng)力電池存貯與裝卸 貯存溫度：025 ；濕度：75R.H（無(wú)水汽凝結(jié)）； 存儲(chǔ)室內(nèi)清潔、干燥、陰涼、通風(fēng) ，避免與腐蝕性物體或氣體接觸 標(biāo)識(shí)清晰，遠(yuǎn)離火源及熱源 ， 要做好絕緣處理 電池箱體保護(hù)蓋板安裝緊固，無(wú)缺損、破壞等缺陷； 正、負(fù)極接線柱用絕緣膠帶或者其他絕緣材料絕緣，無(wú)金屬裸露； 短期儲(chǔ)存（3個(gè)月內(nèi)）SOC30，電芯電壓 2.5V； 長(zhǎng)期貯存SOC50， 電芯電壓 3.0V ， 需定期進(jìn)行充放電測(cè)試， 推薦一個(gè)月進(jìn)行一次充放電，充放電電流0.2C，同時(shí)檢查BMS功能 搬運(yùn)動(dòng)力電池存貯與裝卸 輕拿輕放，正面朝上，不可倒放或斜放 用專門運(yùn)載工具，嚴(yán)禁徒手搬移，拖動(dòng)，破壞電池外觀（比如造成劃痕，凹點(diǎn)） 搬運(yùn)前檢查絕緣性：總正總負(fù)對(duì)系統(tǒng)金屬外壁絕緣電阻 500Mohm 搬運(yùn)前檢查繼電器是否斷開(kāi)：前后箱接插件應(yīng)當(dāng)保護(hù) 裝卸動(dòng)力電池