鋰電池原理與應(yīng)用課件

鋰電池原理及應(yīng)用1A鋰電池原理及應(yīng)用1A一、鋰電池發(fā)展簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代末,以金屬鋰為負(fù)極，氧化鉬、氧化釩為正極的鋰蓄電池已研發(fā)成功；80年代中后期,以聚氧化乙烯(PEO)等導(dǎo)電聚合物為電解質(zhì)膜的鋰二次電池也研發(fā)成功。但由于安全可靠性及電壓體系等種種因素未能投入商業(yè)市場(chǎng)；1991年日本索尼(Sony)公司首次推出的以碳材為負(fù)極，以鈷酸鋰材料為正極的二次鋰電池。由于它沒(méi)有金屬鋰，稱為鋰離子電池，成功地解決了鋰電池的安全可靠性問(wèn)題，立即被市場(chǎng)廣泛接受并成為筆記本電腦和手機(jī)等IT產(chǎn)品的電源。2A一、鋰電池發(fā)展簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代末,以金屬鋰為負(fù)極，氧化鉬

初期的鋰離子電池代表產(chǎn)品為18650圓柱型電池,標(biāo)稱容量為1800mAh；90年代中后期，手機(jī)采用3.6伏系統(tǒng)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小型化。要求減少電池的厚度和體積，出現(xiàn)了方形電池。電池厚度變化從10mm減薄至5mm?，F(xiàn)在已有3.5mm厚的鋁殼手機(jī)電池問(wèn)世；

1999年，日本Sony等四家公司幾乎同時(shí)推出用鋁塑薄膜作外殼包裝的聚合物鋰離子電池。當(dāng)時(shí)電池尺寸為305062，容量為550mAh。經(jīng)過(guò)幾年的研究，聚合物鋰離子電池產(chǎn)品其厚度可以從1mm到10mm，容量可以從40mAh到5000mAh；3A初期的鋰離子電池代表產(chǎn)品為18650圓柱型電池,標(biāo)稱方形聚合物鋰離子電池在2000年開(kāi)始出現(xiàn)批量生產(chǎn)，初期年產(chǎn)量為1100萬(wàn)顆，預(yù)計(jì)至2005年的年產(chǎn)量可達(dá)2.3億顆，年均增長(zhǎng)率為79％。預(yù)計(jì)液態(tài)鋰離子電池年產(chǎn)量達(dá)5億只。電池尺寸厚度變薄，同時(shí)電池重量比能量也大幅度地提升，從130wh/kg增加到150wh/kg；現(xiàn)在世界上聚合物鋰離子電池的重量比能量已提升到180wh/kg左右的水平，比液態(tài)鋰離子電池高出10%以上。

4A方形聚合物鋰離子電池在2000年開(kāi)始出現(xiàn)批量生產(chǎn)，初期年產(chǎn)量二、鋰離子電池工作原理及其結(jié)構(gòu)

1.工作原理：鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，Li+從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡。放電時(shí)則相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)。在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距變化，不破壞晶體結(jié)構(gòu)，在充放電過(guò)程中，負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。因此，從充放電反應(yīng)的可逆性看，鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。5A二、鋰離子電池工作原理及其結(jié)構(gòu)1.工作原理：5A6A6A7A7A

2.鋰離子電池結(jié)構(gòu)：正極：預(yù)先鋰化的過(guò)渡金屬氧化物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰等負(fù)極：具有特殊結(jié)構(gòu)的碳材，如軟碳、硬碳石墨和石墨化碳纖維等電解液：有機(jī)溶劑和鋰鹽的溶液，例如PC(碳酸丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、DMC(二甲基碳酸)、DEC(二乙基碳酸)、1MLiPF6

電導(dǎo)率為6.79mS/cm，水含量6ppm，HF含量8ppm。隔膜：多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜包裝材料：鋁塑復(fù)合膜8A2.鋰離子電池結(jié)構(gòu)：8A9A9A10A10A11A11A12A12A13A13A液態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖14A液態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖14A聚合物鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖15A聚合物鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖15A16A16A17A17A不同溫度下放電曲線18A不同溫度下放電曲線18A循環(huán)壽命曲線19A循環(huán)壽命曲線19A三、鋰離子電池性能電性能(一)、電壓1.開(kāi)路電壓：電池與外電路沒(méi)有接通時(shí)，即沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)電極之間的電位差，等于正極電位與負(fù)極電位之間的差值。如鋰離子電池的開(kāi)路電壓為4.1V，鉛酸蓄電池為2.1V。2.工作電壓：又稱放電電壓或負(fù)荷電壓，是指電池對(duì)外輸出電流時(shí)，電池兩極間的電位差。工作電壓總是低于開(kāi)路電壓。3.終止電壓：電池充放電時(shí)，電壓上升或下降到某數(shù)值，電池不宜再繼續(xù)充電或放電的工作電壓。一般在充電時(shí)，終止電壓為4.2V，放電時(shí)為3.0V或2.75V。20A三、鋰離子電池性能電性能20A21A21A(二)、容量電池容量是電池對(duì)用電器輸出的電量。單位為mAh或Ah。容量大小是由正負(fù)極中活性物質(zhì)的數(shù)量多少來(lái)決定的。1.額定容量：在設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量。22A(二)、容量22A2.比容量：為了對(duì)不同的電池進(jìn)行比較，引入比容量概念。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積電池所給出的容量，稱為質(zhì)量比容量或體積比容量。3.影響電池容量的因素：a.電池的放電速度(通常以電流強(qiáng)度mA來(lái)表示)：電流越大，輸出的容量減少；23A2.比容量：為了對(duì)不同的電池進(jìn)行比較，引入比容量概念。比容量注：圖中A區(qū)(陰影部分)為電池對(duì)外輸出的能量；B區(qū)為電池自身?yè)p耗的能量。24A注：圖中A區(qū)(陰影部分)為電池對(duì)外輸出的能量；B區(qū)為電池自身b.電池的放電溫度：溫度降低，輸出容量減少；25Ab.電池的放電溫度：溫度降低，輸出容量減少；25Ac.電池的放電終止電壓：是由用電器以及電池反應(yīng)本身的限定來(lái)設(shè)定的，例如：充電時(shí)，終止電壓為4.2V，放電時(shí)為3.0V或2.75V。d.電池的貯存時(shí)間：電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間貯存后，電池的放電容量會(huì)相應(yīng)減少。(三)、內(nèi)阻電池內(nèi)阻包括歐姆電阻(RΩ)和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)的極化電阻(Rf)。歐姆電阻、極化電阻之和為電池的內(nèi)阻(Ri)。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。隔膜電阻是當(dāng)電流流過(guò)電解液時(shí)，隔膜有效微孔中電解液所產(chǎn)生的電阻(RM)。RM=ρs·J26Ac.電池的放電終止電壓：是由用電器以及電池反應(yīng)本身的限定來(lái)設(shè)式中RM是隔膜電阻；ρs是溶液比電阻；J表征隔膜微孔結(jié)構(gòu)的因素等。結(jié)構(gòu)因素包括膜厚、孔率、孔徑、孔的彎曲程度。極化電阻Rf是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻。為比較相同系列不同型號(hào)的化學(xué)電源的內(nèi)阻，引入比內(nèi)阻(Riˊ)的概念，即單位容量下電池的內(nèi)阻。Riˊ＝Ri/C式中Riˊ為比內(nèi)阻，C為電池容量，Ri為電池內(nèi)阻。27A式中RM是隔膜電阻；ρs是溶液比電阻；J表征隔膜微孔28A28A(四)、能量和比能量電池在一定條件下對(duì)外作功所能輸出的電能叫做電池的能量，單位一般用wh表示。1.理論能量電池的放電過(guò)程處于平衡狀態(tài)，放電電壓保持電動(dòng)勢(shì)(E)數(shù)值，且活性物質(zhì)利用率為100％，在此條件下電池的輸出能量為理論能量(W0)，即可逆電池在恒溫恒壓下所做的最大非膨脹功(W0=C0E)。29A(四)、能量和比能量29A2.實(shí)際能量電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量稱為實(shí)際能量。W=V工作ItV工作=V開(kāi)路－IRi3.比能量單位質(zhì)量和單位體積的電池所給出的能量，稱質(zhì)量比能量或體積比能量，也稱能量密度。比能量的單位為wh/kg或wh/L。瑞寶聚合物鋰離子電池重量比能量為170-190wh/kg,已達(dá)到國(guó)外公司同等產(chǎn)品水平。30A2.實(shí)際能量30A(五)、20℃放電性能1.

0.2C5A放電性能電池按充電制式規(guī)定充電后擱置0.5h～1h，在20℃5

℃的溫度下，以0.2C5A電流放電到終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于5h。2.

1C5A放電性能

電池按充電制式規(guī)定充電后擱置0.5h~1h，在20℃5

℃的溫度下，以1C5A電流放電到終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于51min。3.高溫性能

電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池放入55℃2℃的高溫箱中，然后以1C5A電流放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于51min。該試驗(yàn)結(jié)束后，31A(五)、20℃放電性能31A將電池取出在環(huán)境溫度20℃5

℃的條件下擱置2h，然后目測(cè)電池外觀，應(yīng)無(wú)變形、無(wú)爆裂。4.低溫性能

電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將其放入-20℃2

℃的低溫箱中16～24h后，以0.2C5A電流放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于3.5h。該試驗(yàn)結(jié)束后，將電池取出在環(huán)境溫度20℃5

℃的條件下擱置2h，然后目測(cè)電池外觀，電池外觀應(yīng)無(wú)變形、無(wú)爆裂。5.荷電保持能力電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，在環(huán)境溫度為20℃5

℃的條件下，將電池開(kāi)路擱置28d，再以0.2C5A電流進(jìn)行放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于4.25h。32A將電池取出在環(huán)境溫度20℃5℃的條件下擱置2h，然后目測(cè)機(jī)械性能1.振動(dòng)電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池直接安裝或通過(guò)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上，按下面的振動(dòng)頻率和對(duì)應(yīng)的振幅調(diào)整好試驗(yàn)設(shè)備，X、Y、Z三個(gè)方向每個(gè)方向上從10Hz~55Hz循環(huán)掃頻震動(dòng)30min，掃頻速率為1oct/min；振動(dòng)頻率：10Hz~30Hz位移幅值（單振幅）0.38mm振動(dòng)頻率：30Hz~55Hz位移幅值（單振幅）0.19mm振動(dòng)結(jié)束后電池外觀應(yīng)無(wú)明顯損傷、漏液、冒煙和爆炸，電池電壓應(yīng)不低于n×3.6V。2.碰撞33A機(jī)械性能33A電池振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，將電池平均按X.Y.Z三個(gè)相互垂直軸向直接或通過(guò)夾具堅(jiān)固在臺(tái)面上，按下述要求調(diào)好加速度、脈沖持續(xù)時(shí)間，進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。脈沖峰值加速度100m/s2每分鐘碰撞次數(shù)40～80脈沖持續(xù)時(shí)間16ms碰撞次數(shù)100010

碰撞結(jié)束后將電池自實(shí)驗(yàn)臺(tái)取下，電池外觀應(yīng)無(wú)明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，電池電壓應(yīng)不低于n×3.6V。3.自由跌落電池碰撞試驗(yàn)結(jié)束后，將電池樣品由高度（最34A電池振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，將電池平均按X.Y.Z三個(gè)相互垂直軸向直低點(diǎn)高度）為1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的18mn~20mn厚的硬木板上，從X.Y.Z正負(fù)方向（六個(gè)方向）每個(gè)方向自由跌落1次。自由跌落結(jié)束后，將電池以1C5A電流放電至終止電壓。然后按規(guī)定進(jìn)行充放電循環(huán)，至放電時(shí)間應(yīng)不低于51min，即可終止充放電循環(huán)；充放電循環(huán)次數(shù)應(yīng)不多于3次。電池應(yīng)不漏液、不冒煙、不爆炸。4.重物沖擊電池放置于沖擊臺(tái)上，將10Kg重錘自1m高度自由落下，沖擊已固定在夾具中的電池（電池的面積最大的面應(yīng)與臺(tái)面垂直），電池允許發(fā)生變形，但應(yīng)不起火、不爆炸。35A低點(diǎn)高度）為1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的185熱沖擊電池放置于熱箱中，溫度以（5℃2℃）/min的速率升至15020℃并保溫30min，電池應(yīng)不起火、不爆炸安全性能1.過(guò)充電保護(hù)電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，用恒流恒壓源持續(xù)給電池加載8h,恒流恒壓源電壓設(shè)定為2倍標(biāo)稱電壓，電流設(shè)定為2C5A的外接電流，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。2.過(guò)放電保護(hù)

電池在環(huán)境溫度20℃5℃的條件下，以0.2C5A放電至終止電壓后，外接（30×n）Ω負(fù)載36A5熱沖擊36A放電24h，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。3.短路保護(hù)電池按充電制式規(guī)定充電之后，將正負(fù)極用0.1Ω電阻器短路，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。將正負(fù)極斷開(kāi)，電池以1C5A電流充電5s后用電壓表測(cè)量電池電壓，電池電壓應(yīng)不小于n×3.6V。4.恒定濕熱性能電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池放入40℃2

℃，相對(duì)濕度為90%~95%的恒溫恒濕箱中擱置48h后，將電池取出在環(huán)境溫度20℃5

℃的條件下擱置2h，目測(cè)電池外觀，應(yīng)無(wú)明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸；再以1C5A電流放電至終止至電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于36min。37A放電24h，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。37A貯存性能1.電池貯存12個(gè)月，經(jīng)完全充電后，0.2C5A放電時(shí)間不小于4h，放電容量約為額定容量的80%，容量的下降是由于電池的自放電反應(yīng)所引起的。2.在環(huán)境溫度20℃5

℃的條件下，以1C5A充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于20mA，停止充電，擱置0.5h~1h，再進(jìn)行下一個(gè)充放電循環(huán)，直至連續(xù)兩次放電時(shí)間小于36min，則認(rèn)為壽命終止。循環(huán)壽命應(yīng)不低于300次。循環(huán)壽命及其影響因素1.鋰離子電池經(jīng)歷一次充放電，稱一個(gè)周期。在一定的放電制度下，電池容量降至規(guī)定值之前，電池所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)，稱為電池的循環(huán)壽命。38A貯存性能38A2.影響電池循環(huán)壽命的主要因素有：a.在充放電過(guò)程中，電極活性物質(zhì)表面積減少，使工作電流密度上升，極化增大；b.電極上活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移；c.電極材料發(fā)生腐蝕；d.電池內(nèi)部短路；e.隔膜損壞和活性物質(zhì)晶型改變，活性降低。39A2.影響電池循環(huán)壽命的主要因素有：39A四、鋰離子電池特點(diǎn)薄，輕，容量大和任意形狀；高能量密度140-180Wh/Kg(其它充電電池：120-160Wh/Kg)；大容量單體電池，免除并聯(lián)荷電保持能力強(qiáng)。在20±5℃下貯存30天后，電池的常溫放電容量可達(dá)到額定容量的85％以上；循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。連續(xù)充放電500次后，電池的容量依然不低于額定值的80％；40A四、鋰離子電池特點(diǎn)薄，輕，容量大和任意形狀；40A安全性高。該電池具有在短路、過(guò)充、過(guò)放、沖擊(10kg重物自1m高自由落體)、振動(dòng)、槍擊、針刺(穿透)、高溫(150℃)等狀態(tài)下不起火、不爆炸等特點(diǎn)；

無(wú)環(huán)境污染。它不含有鎘、鉛、汞這類有害物質(zhì)，是一種潔凈的“綠色”能源；無(wú)記憶效應(yīng)?？呻S時(shí)進(jìn)行充、放電使用。比能量高。是鎘鎳電池的5倍，是鎳氫電池的2倍

41A41A42A42A43A43A異型電芯44A異型電芯44A45A45A性能比較(一)電池類型酸性電池鎳鎘電池鎳氫電池液態(tài)鋰電池聚合物鋰電池安全好好好好優(yōu)秀工作電壓(V)21.21.23.73.7重量能量比(Wh/kg)354150-80120-160140-180體積能量比(Wh/l)80120100-200200-800>32046A性能比較(一)電池酸性鎳鎘鎳氫液態(tài)鋰聚合物安全好好好好性能比較(二)電池類型酸性電池鎳鎘電池鎳氫電池液態(tài)鋰電池聚合物鋰電池循環(huán)壽命300300500>500>500工作溫度(℃)-20~60-20~60-20~60-20~60-20~60自放電<10<10<30<5<5記憶效應(yīng)無(wú)有無(wú)無(wú)無(wú)毒性有毒有毒輕毒輕毒五毒形狀固定固定固定固定任意47A性能比較(二)電池酸性鎳鎘鎳氫液態(tài)鋰聚合物循環(huán)壽命3五、鋰離子電池應(yīng)用聚合物鋰離子電池的典型應(yīng)用主要有移動(dòng)電話、筆記本電腦、手持電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、MP3、智能卡、手表、耳機(jī)、DVD和VCD播放器、HEVs等等。48A五、鋰離子電池應(yīng)用48A鋰離子電池應(yīng)用市場(chǎng)的分布用電器具比例(%)手機(jī)51.0筆記本電腦38.9攝放一體機(jī)8.9其它1.249A鋰離子電池應(yīng)用市場(chǎng)的分布用電器具比例(%)手機(jī)51.MobilePhone50AMobilePhone50ADVD/筆記本電腦51ADVD/筆記本電腦51APDA/攝像機(jī)52APDA/攝像機(jī)52A藍(lán)牙設(shè)備（數(shù)字筆/耳機(jī)）53A藍(lán)牙設(shè)備（數(shù)字筆/耳機(jī)）53A全球兩大便攜式用電器具中

鋰離子電池比例年份手機(jī)筆記本電腦199627％40％199733％57％199836％67％199942％67％54A全球兩大便攜式用電器具中

鋰離子電池比例年份手機(jī)筆記六、國(guó)內(nèi)外鋰離子電池生產(chǎn)情況

近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品向小型化、微型化的迅速發(fā)展，對(duì)電池產(chǎn)品提出了更高的要求。由于鋰離子電池優(yōu)良的綜合性能適應(yīng)了這種要求，所以鋰離子電池生產(chǎn)的增長(zhǎng)勢(shì)頭非常迅猛。從世界范圍來(lái)講，主要發(fā)達(dá)國(guó)家都在生產(chǎn)和研發(fā)新型鋰離子電池，其中日本占主要地位。近幾年來(lái)中國(guó)鋰離子電池發(fā)展也異常迅速，年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)1億顆以上，再過(guò)幾年有可能超過(guò)日本，成為世界鋰離子電池生產(chǎn)大國(guó)。55A六、國(guó)內(nèi)外鋰離子電池生產(chǎn)情況近年來(lái)，隨各國(guó)廠商在民用可充電池市場(chǎng)所占份額公司Cd/NiMH/NiLi-ion聚合物L(fēng)i-ion松下22%27%18%三洋40%35%20%5%索尼18%65%東芝15%10%中國(guó)比亞迪天津力神19%10%4%10%56A各國(guó)廠商在民用可充電池市場(chǎng)所占份額公司Cd/NiMH/NiL七、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)原材料國(guó)產(chǎn)化降低成本采用新材料及新工藝進(jìn)一步提高電池性能進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高電池比能量采用復(fù)合隔膜提高電池的安全性開(kāi)發(fā)膠態(tài)聚合物鋰離子電池，提高電池的安全性設(shè)計(jì)研發(fā)新型多功能保護(hù)線路板，提高組合電池的安全及可靠性57A七、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)原材料國(guó)產(chǎn)化降低成本57A八、電芯操作說(shuō)明(售后服務(wù)事項(xiàng))由于電芯屬于軟包裝，為保證電芯的性能不受損害，必須小心對(duì)電芯進(jìn)行操作。1.1鋁塑包裝膜材料鋁塑包裝膜材料易被尖銳部件刺損，諸如鎳片，尖針。禁止用尖銳部件碰撞電池應(yīng)清潔工作環(huán)境，避免有尖銳部件存在58A八、電芯操作說(shuō)明(售后服務(wù)事項(xiàng))由于電芯屬于軟包裝，為保證電59A59A1.2頂封邊頂封邊非常容易收到損害禁止彎折頂封邊60A1.2頂封邊60A1.3折邊折邊在電池生產(chǎn)過(guò)程中已完成，并通過(guò)了密封測(cè)試。禁止打開(kāi)或破壞折邊。61A1.3折邊61A1.4極耳極耳的機(jī)械強(qiáng)度并非異常兼顧，特別是鋁極耳。禁止彎折極耳62A1.4極耳62A1.5機(jī)械撞擊禁止墜落、沖擊、彎折電芯63A1.5機(jī)械撞擊63A1.6短路任何時(shí)候禁止短路電芯，它會(huì)導(dǎo)致電芯嚴(yán)重?fù)p壞。2.其它事項(xiàng)2.1防止電池包裝內(nèi)產(chǎn)生短路引線與電芯之間要有足夠的絕緣層以保證絕對(duì)安全。外殼內(nèi)不得有任何短路發(fā)生，以防止冒煙或著火。2.2嚴(yán)禁拆卸電芯1)在任何情況下不得拆卸電芯2)電解液有害64A1.6短路64A聚合物鋰電池理論上不存在流動(dòng)的電解液，但萬(wàn)一有電解液泄漏而接觸到皮膚、眼睛或身體其它部位，應(yīng)立即用清水沖洗電解液并就醫(yī)。2.3嚴(yán)禁將電芯投入火中在任何情況下，不得燃燒電芯或?qū)㈦娦就度牖鹬?，否則會(huì)引起電芯爆炸，這是非常危險(xiǎn)的，應(yīng)絕對(duì)禁止。2.4嚴(yán)禁將電芯浸入液體中，如水不得將電芯浸泡液體，如淡水、海水、飲料(果汁、咖啡等)。65A聚合物鋰電池理論上不存在流動(dòng)的電解液，但萬(wàn)一有電解液泄漏而接2.5電芯的更換更換電芯應(yīng)由電芯供應(yīng)商或設(shè)備供應(yīng)商完成，用戶不得自行更換。2.6禁止使用已損壞的電芯電芯在運(yùn)輸過(guò)程中可能因撞擊等原因而損壞，若發(fā)現(xiàn)電芯有任何異常特征，如電芯塑料封邊損壞，外殼破損，聞到電解液氣體，電解液泄漏等，該電芯不得使用。有電解液泄漏或散發(fā)電解液氣味的電池應(yīng)遠(yuǎn)離火源以避免著火或爆炸。66A2.5電芯的更換66APrimaryObjectives67APrimaryObjectives67A68A68A敬請(qǐng)各位指正

謝謝！69A敬請(qǐng)各位指正

謝謝！69A鋰電池原理及應(yīng)用70A鋰電池原理及應(yīng)用1A一、鋰電池發(fā)展簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代末,以金屬鋰為負(fù)極，氧化鉬、氧化釩為正極的鋰蓄電池已研發(fā)成功；80年代中后期,以聚氧化乙烯(PEO)等導(dǎo)電聚合物為電解質(zhì)膜的鋰二次電池也研發(fā)成功。但由于安全可靠性及電壓體系等種種因素未能投入商業(yè)市場(chǎng)；1991年日本索尼(Sony)公司首次推出的以碳材為負(fù)極，以鈷酸鋰材料為正極的二次鋰電池。由于它沒(méi)有金屬鋰，稱為鋰離子電池，成功地解決了鋰電池的安全可靠性問(wèn)題，立即被市場(chǎng)廣泛接受并成為筆記本電腦和手機(jī)等IT產(chǎn)品的電源。71A一、鋰電池發(fā)展簡(jiǎn)介20世紀(jì)70年代末,以金屬鋰為負(fù)極，氧化鉬

初期的鋰離子電池代表產(chǎn)品為18650圓柱型電池,標(biāo)稱容量為1800mAh；90年代中后期，手機(jī)采用3.6伏系統(tǒng)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小型化。要求減少電池的厚度和體積，出現(xiàn)了方形電池。電池厚度變化從10mm減薄至5mm?，F(xiàn)在已有3.5mm厚的鋁殼手機(jī)電池問(wèn)世；

1999年，日本Sony等四家公司幾乎同時(shí)推出用鋁塑薄膜作外殼包裝的聚合物鋰離子電池。當(dāng)時(shí)電池尺寸為305062，容量為550mAh。經(jīng)過(guò)幾年的研究，聚合物鋰離子電池產(chǎn)品其厚度可以從1mm到10mm，容量可以從40mAh到5000mAh；72A初期的鋰離子電池代表產(chǎn)品為18650圓柱型電池,標(biāo)稱方形聚合物鋰離子電池在2000年開(kāi)始出現(xiàn)批量生產(chǎn)，初期年產(chǎn)量為1100萬(wàn)顆，預(yù)計(jì)至2005年的年產(chǎn)量可達(dá)2.3億顆，年均增長(zhǎng)率為79％。預(yù)計(jì)液態(tài)鋰離子電池年產(chǎn)量達(dá)5億只。電池尺寸厚度變薄，同時(shí)電池重量比能量也大幅度地提升，從130wh/kg增加到150wh/kg；現(xiàn)在世界上聚合物鋰離子電池的重量比能量已提升到180wh/kg左右的水平，比液態(tài)鋰離子電池高出10%以上。

73A方形聚合物鋰離子電池在2000年開(kāi)始出現(xiàn)批量生產(chǎn)，初期年產(chǎn)量二、鋰離子電池工作原理及其結(jié)構(gòu)

1.工作原理：鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，Li+從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡。放電時(shí)則相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)。在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距變化，不破壞晶體結(jié)構(gòu)，在充放電過(guò)程中，負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。因此，從充放電反應(yīng)的可逆性看，鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。74A二、鋰離子電池工作原理及其結(jié)構(gòu)1.工作原理：5A75A6A76A7A

2.鋰離子電池結(jié)構(gòu)：正極：預(yù)先鋰化的過(guò)渡金屬氧化物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰等負(fù)極：具有特殊結(jié)構(gòu)的碳材，如軟碳、硬碳石墨和石墨化碳纖維等電解液：有機(jī)溶劑和鋰鹽的溶液，例如PC(碳酸丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、DMC(二甲基碳酸)、DEC(二乙基碳酸)、1MLiPF6

電導(dǎo)率為6.79mS/cm，水含量6ppm，HF含量8ppm。隔膜：多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜包裝材料：鋁塑復(fù)合膜77A2.鋰離子電池結(jié)構(gòu)：8A78A9A79A10A80A11A81A12A82A13A液態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖83A液態(tài)鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖14A聚合物鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖84A聚合物鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖15A85A16A86A17A不同溫度下放電曲線87A不同溫度下放電曲線18A循環(huán)壽命曲線88A循環(huán)壽命曲線19A三、鋰離子電池性能電性能(一)、電壓1.開(kāi)路電壓：電池與外電路沒(méi)有接通時(shí)，即沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)電極之間的電位差，等于正極電位與負(fù)極電位之間的差值。如鋰離子電池的開(kāi)路電壓為4.1V，鉛酸蓄電池為2.1V。2.工作電壓：又稱放電電壓或負(fù)荷電壓，是指電池對(duì)外輸出電流時(shí)，電池兩極間的電位差。工作電壓總是低于開(kāi)路電壓。3.終止電壓：電池充放電時(shí)，電壓上升或下降到某數(shù)值，電池不宜再繼續(xù)充電或放電的工作電壓。一般在充電時(shí)，終止電壓為4.2V，放電時(shí)為3.0V或2.75V。89A三、鋰離子電池性能電性能20A90A21A(二)、容量電池容量是電池對(duì)用電器輸出的電量。單位為mAh或Ah。容量大小是由正負(fù)極中活性物質(zhì)的數(shù)量多少來(lái)決定的。1.額定容量：在設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量。91A(二)、容量22A2.比容量：為了對(duì)不同的電池進(jìn)行比較，引入比容量概念。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積電池所給出的容量，稱為質(zhì)量比容量或體積比容量。3.影響電池容量的因素：a.電池的放電速度(通常以電流強(qiáng)度mA來(lái)表示)：電流越大，輸出的容量減少；92A2.比容量：為了對(duì)不同的電池進(jìn)行比較，引入比容量概念。比容量注：圖中A區(qū)(陰影部分)為電池對(duì)外輸出的能量；B區(qū)為電池自身?yè)p耗的能量。93A注：圖中A區(qū)(陰影部分)為電池對(duì)外輸出的能量；B區(qū)為電池自身b.電池的放電溫度：溫度降低，輸出容量減少；94Ab.電池的放電溫度：溫度降低，輸出容量減少；25Ac.電池的放電終止電壓：是由用電器以及電池反應(yīng)本身的限定來(lái)設(shè)定的，例如：充電時(shí)，終止電壓為4.2V，放電時(shí)為3.0V或2.75V。d.電池的貯存時(shí)間：電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間貯存后，電池的放電容量會(huì)相應(yīng)減少。(三)、內(nèi)阻電池內(nèi)阻包括歐姆電阻(RΩ)和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)的極化電阻(Rf)。歐姆電阻、極化電阻之和為電池的內(nèi)阻(Ri)。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。隔膜電阻是當(dāng)電流流過(guò)電解液時(shí)，隔膜有效微孔中電解液所產(chǎn)生的電阻(RM)。RM=ρs·J95Ac.電池的放電終止電壓：是由用電器以及電池反應(yīng)本身的限定來(lái)設(shè)式中RM是隔膜電阻；ρs是溶液比電阻；J表征隔膜微孔結(jié)構(gòu)的因素等。結(jié)構(gòu)因素包括膜厚、孔率、孔徑、孔的彎曲程度。極化電阻Rf是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻。為比較相同系列不同型號(hào)的化學(xué)電源的內(nèi)阻，引入比內(nèi)阻(Riˊ)的概念，即單位容量下電池的內(nèi)阻。Riˊ＝Ri/C式中Riˊ為比內(nèi)阻，C為電池容量，Ri為電池內(nèi)阻。96A式中RM是隔膜電阻；ρs是溶液比電阻；J表征隔膜微孔97A28A(四)、能量和比能量電池在一定條件下對(duì)外作功所能輸出的電能叫做電池的能量，單位一般用wh表示。1.理論能量電池的放電過(guò)程處于平衡狀態(tài)，放電電壓保持電動(dòng)勢(shì)(E)數(shù)值，且活性物質(zhì)利用率為100％，在此條件下電池的輸出能量為理論能量(W0)，即可逆電池在恒溫恒壓下所做的最大非膨脹功(W0=C0E)。98A(四)、能量和比能量29A2.實(shí)際能量電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量稱為實(shí)際能量。W=V工作ItV工作=V開(kāi)路－IRi3.比能量單位質(zhì)量和單位體積的電池所給出的能量，稱質(zhì)量比能量或體積比能量，也稱能量密度。比能量的單位為wh/kg或wh/L。瑞寶聚合物鋰離子電池重量比能量為170-190wh/kg,已達(dá)到國(guó)外公司同等產(chǎn)品水平。99A2.實(shí)際能量30A(五)、20℃放電性能1.

0.2C5A放電性能電池按充電制式規(guī)定充電后擱置0.5h～1h，在20℃5

℃的溫度下，以0.2C5A電流放電到終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于5h。2.

1C5A放電性能

電池按充電制式規(guī)定充電后擱置0.5h~1h，在20℃5

℃的溫度下，以1C5A電流放電到終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于51min。3.高溫性能

電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池放入55℃2℃的高溫箱中，然后以1C5A電流放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于51min。該試驗(yàn)結(jié)束后，100A(五)、20℃放電性能31A將電池取出在環(huán)境溫度20℃5

℃的條件下擱置2h，然后目測(cè)電池外觀，應(yīng)無(wú)變形、無(wú)爆裂。4.低溫性能

電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將其放入-20℃2

℃的低溫箱中16～24h后，以0.2C5A電流放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于3.5h。該試驗(yàn)結(jié)束后，將電池取出在環(huán)境溫度20℃5

℃的條件下擱置2h，然后目測(cè)電池外觀，電池外觀應(yīng)無(wú)變形、無(wú)爆裂。5.荷電保持能力電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，在環(huán)境溫度為20℃5

℃的條件下，將電池開(kāi)路擱置28d，再以0.2C5A電流進(jìn)行放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于4.25h。101A將電池取出在環(huán)境溫度20℃5℃的條件下擱置2h，然后目測(cè)機(jī)械性能1.振動(dòng)電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池直接安裝或通過(guò)夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上，按下面的振動(dòng)頻率和對(duì)應(yīng)的振幅調(diào)整好試驗(yàn)設(shè)備，X、Y、Z三個(gè)方向每個(gè)方向上從10Hz~55Hz循環(huán)掃頻震動(dòng)30min，掃頻速率為1oct/min；振動(dòng)頻率：10Hz~30Hz位移幅值（單振幅）0.38mm振動(dòng)頻率：30Hz~55Hz位移幅值（單振幅）0.19mm振動(dòng)結(jié)束后電池外觀應(yīng)無(wú)明顯損傷、漏液、冒煙和爆炸，電池電壓應(yīng)不低于n×3.6V。2.碰撞102A機(jī)械性能33A電池振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，將電池平均按X.Y.Z三個(gè)相互垂直軸向直接或通過(guò)夾具堅(jiān)固在臺(tái)面上，按下述要求調(diào)好加速度、脈沖持續(xù)時(shí)間，進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。脈沖峰值加速度100m/s2每分鐘碰撞次數(shù)40～80脈沖持續(xù)時(shí)間16ms碰撞次數(shù)100010

碰撞結(jié)束后將電池自實(shí)驗(yàn)臺(tái)取下，電池外觀應(yīng)無(wú)明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，電池電壓應(yīng)不低于n×3.6V。3.自由跌落電池碰撞試驗(yàn)結(jié)束后，將電池樣品由高度（最103A電池振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，將電池平均按X.Y.Z三個(gè)相互垂直軸向直低點(diǎn)高度）為1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的18mn~20mn厚的硬木板上，從X.Y.Z正負(fù)方向（六個(gè)方向）每個(gè)方向自由跌落1次。自由跌落結(jié)束后，將電池以1C5A電流放電至終止電壓。然后按規(guī)定進(jìn)行充放電循環(huán)，至放電時(shí)間應(yīng)不低于51min，即可終止充放電循環(huán)；充放電循環(huán)次數(shù)應(yīng)不多于3次。電池應(yīng)不漏液、不冒煙、不爆炸。4.重物沖擊電池放置于沖擊臺(tái)上，將10Kg重錘自1m高度自由落下，沖擊已固定在夾具中的電池（電池的面積最大的面應(yīng)與臺(tái)面垂直），電池允許發(fā)生變形，但應(yīng)不起火、不爆炸。104A低點(diǎn)高度）為1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的185熱沖擊電池放置于熱箱中，溫度以（5℃2℃）/min的速率升至15020℃并保溫30min，電池應(yīng)不起火、不爆炸安全性能1.過(guò)充電保護(hù)電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，用恒流恒壓源持續(xù)給電池加載8h,恒流恒壓源電壓設(shè)定為2倍標(biāo)稱電壓，電流設(shè)定為2C5A的外接電流，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。2.過(guò)放電保護(hù)

電池在環(huán)境溫度20℃5℃的條件下，以0.2C5A放電至終止電壓后，外接（30×n）Ω負(fù)載105A5熱沖擊36A放電24h，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。3.短路保護(hù)電池按充電制式規(guī)定充電之后，將正負(fù)極用0.1Ω電阻器短路，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。將正負(fù)極斷開(kāi)，電池以1C5A電流充電5s后用電壓表測(cè)量電池電壓，電池電壓應(yīng)不小于n×3.6V。4.恒定濕熱性能電池按充電制式規(guī)定充電結(jié)束后，將電池放入40℃2

℃，相對(duì)濕度為90%~95%的恒溫恒濕箱中擱置48h后，將電池取出在環(huán)境溫度20℃5

℃的條件下擱置2h，目測(cè)電池外觀，應(yīng)無(wú)明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸；再以1C5A電流放電至終止至電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于36min。106A放電24h，電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。37A貯存性能1.電池貯存12個(gè)月，經(jīng)完全充電后，0.2C5A放電時(shí)間不小于4h，放電容量約為額定容量的80%，容量的下降是由于電池的自放電反應(yīng)所引起的。2.在環(huán)境溫度20℃5

℃的條件下，以1C5A充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于20mA，停止充電，擱置0.5h~1h，再進(jìn)行下一個(gè)充放電循環(huán)，直至連續(xù)兩次放電時(shí)間小于36min，則認(rèn)為壽命終止。循環(huán)壽命應(yīng)不低于300次。循環(huán)壽命及其影響因素1.鋰離子電池經(jīng)歷一次充放電，稱一個(gè)周期。在一定的放電制度下，電池容量降至規(guī)定值之前，電池所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)，稱為電池的循環(huán)壽命。107A貯存性能38A2.影響電池循環(huán)壽命的主要因素有：a.在充放電過(guò)程中，電極活性物質(zhì)表面積減少，使工作電流密度上升，極化增大；b.電極上活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移；c.電極材料發(fā)生腐蝕；d.電池內(nèi)部短路；e.隔膜損壞和活性物質(zhì)晶型改變，活性降低。108A2.影響電池循環(huán)壽命的主要因素有：39A四、鋰離子電池特點(diǎn)薄，輕，容量大和任意形狀；高能量密度140-180Wh/Kg(其它充電電池：120-160Wh/Kg)；大容量單體電池，免除并聯(lián)荷電保持能力強(qiáng)。在20±5℃下貯存30天后，電池的常溫放電容量可達(dá)到額定容量的85％以上；循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。連續(xù)充放電500次后，電池的容量依然不低于額定值的80％；109A四、鋰離子電池特點(diǎn)薄，輕，容量大和任意形狀；40A安全性高。該電池具有在短路、過(guò)充、過(guò)放、沖擊(10kg重物自1m高自由落體)、振動(dòng)、槍擊、針刺(穿透)、高溫(150℃)等狀態(tài)下不起火、不爆炸等特點(diǎn)；

無(wú)環(huán)境污染。它不含有鎘、鉛、汞這類有害物質(zhì)，是一種潔凈的“綠色”能源；無(wú)記憶效應(yīng)。可隨時(shí)進(jìn)行充、放電使用。比能量高。是鎘鎳電池的5倍，是鎳氫電池的2倍

110A41A111A42A112A43A異型電芯113A異型電芯44A114A45A性能比較(一)電池類型酸性電池鎳鎘電池鎳氫電池液態(tài)鋰電池聚合物鋰電池安全好好好好優(yōu)秀工作電壓(V)21.21.23.73.7重量能量比(Wh/kg)354150-80120-160140-180體積能量比(Wh/l)80120100-200200-800>320115A性能比較(一)電池酸性鎳鎘鎳氫液態(tài)鋰聚合物安全好好好好性能比較(二)電池類型酸性電池鎳鎘電池鎳氫電池液態(tài)鋰電池聚合物鋰電池循環(huán)壽命300300500>500>500工作溫度(℃)-20~60-20~60-20~60-20~60-20~60自放電<10<10<30<5<5記憶效應(yīng)無(wú)有無(wú)無(wú)無(wú)毒性有毒有毒輕毒輕毒五毒形狀固定固定固定固定任意116A性能比較(二)電池酸性鎳鎘鎳氫液態(tài)鋰聚合物循環(huán)壽命3五、鋰離子電池應(yīng)用聚合物鋰離子電池的典型應(yīng)用主要有移動(dòng)電話、筆記本電腦、手持電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、MP3、智能卡、手表、耳機(jī)、DVD和VCD播放器、HEVs等等。117A五、鋰離子電池應(yīng)用48A鋰離子電池應(yīng)用市場(chǎng)的分布用電器具比例(%)手機(jī)51.0筆記本電腦38.9攝放一體機(jī)8.9其它1.2118A鋰離子電池應(yīng)用市場(chǎng)的分布用電器具比例(%)手機(jī)51.MobilePhone119AMobilePhone50A