鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)課件

鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)主講：時(shí)間：2011.5.271內(nèi)容一、電池分類二、鋰離子電池簡(jiǎn)介三、鋰離子電池之電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理四、鋰離子電池之應(yīng)用領(lǐng)域五、鋰離子電池之結(jié)構(gòu)六、液態(tài)鋰離子電池之工藝流程七、鋰離子電池之性能指標(biāo)八、鋰離子電池質(zhì)量認(rèn)證2一、電池分類我們生活中經(jīng)常接觸的電池總結(jié)起來(lái)可分為五大類：

第一類：鉛酸電池Lead-acidbattery

第二類：鎳鎘電池Nickel-Cadmium(Ni-Cd)第三類：鎳氫電池Nickel-MetalHudride(Ni-MH)第四類：堿性電池(Alkaline)第五類：鋰電池(Lithium)3鎳鎘電池Ni-Cd正極為羥基氧化鎳NiOOH，負(fù)極為金屬鎘Cd，電解質(zhì)為KOH或者NaOH水溶液。這種電池具有良好的大電流放電特征、低溫特性好等優(yōu)點(diǎn)。但是鎳鎘電池還有許多致命的缺點(diǎn)，例如記憶效應(yīng)、壽命短、重金屬造成的嚴(yán)重污染等。

單個(gè)鎳鎘電池的電壓約為1.2V左右，滿電狀態(tài)下約為1.4V，常用串聯(lián)方式組成9V電池組。

5鎳氫電池Ni-MH正極為羥基氧化鎳NiOOH，負(fù)極為儲(chǔ)氫合金MH，電解質(zhì)為KOH水溶液。Ni-MH中，M為儲(chǔ)氫合金，MH為吸附了氫原子的儲(chǔ)氫合金，最常用儲(chǔ)氫合金為L(zhǎng)aNi5。

鎳氫電池容量比鎳鎘電池大一倍，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)傷害，價(jià)格比鋰電要低，在同等設(shè)計(jì)和一樣的使用環(huán)境下，Ni-MH電池的壽命一般比Ni-Cd電池長(zhǎng)40%。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。單個(gè)鎳氫電池的電壓約為1.2V左右，滿電狀態(tài)下約為1.4V，常用串聯(lián)方式組成9V電池組。

6堿性電池它是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫囊环N電池，這類電池全稱為堿性鋅錳電池，它是以鋅粉為負(fù)極，電解二氧化錳為正極，以氫氧化鉀為電解液制成的電池。它的優(yōu)點(diǎn)包括有電量大、電流強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、輸出穩(wěn)定、低溫特性良好，保存時(shí)間長(zhǎng)等。但是，一般情況下大多數(shù)堿性電池都不能充電，一次使用完就沒(méi)用了，所以使用代價(jià)是比較高的，而且對(duì)環(huán)境也會(huì)造成一定的污染。

單個(gè)堿性電池的電壓約為1.5V左右。7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3倍自放電小，不到Ni-Cd、Ni-MH電池的一半沒(méi)有Ni-Cd、Ni-MH電池一樣的記憶效應(yīng)可快速充放電，充放電效率高工作溫度范圍寬-30~+45C，無(wú)需維修對(duì)環(huán)境較為“友好”，稱為綠色電池，使用壽命長(zhǎng)9鋰離子電池的缺點(diǎn)成本高，主要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高，隨著正極技術(shù)的不斷發(fā)展，采用LiMn2O4、LiFePO4等為正極材料，有望大大降低成本；必須有特殊的保護(hù)電路，以防過(guò)充過(guò)放；與普通電池的相容性差，一般要在用3節(jié)普通電池（3.6V）的情況下才能用鋰離子電池替代同優(yōu)點(diǎn)相比，這些缺點(diǎn)不成為主要問(wèn)題，特別是用于一些高科技、高附加值的產(chǎn)品中，故應(yīng)用范圍非常廣泛10放電電流大小的比較：鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池鋰離子電池的缺點(diǎn)：1、電池成本較高。主要表現(xiàn)在LiCoO2的價(jià)格高（Co的資源較?。娊赓|(zhì)體系提純困難。2、不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對(duì)其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。3、需要保護(hù)線路控制。11二、鋰電池簡(jiǎn)介目前市面上所使用的鋰離子(Li-ion)電池量產(chǎn)的有兩種類型。1、液體鋰離子電池（LiB)：使用液體電解液的鋰離子電池。目前市場(chǎng)上80%以上的鋰離子電池均為此類。2、聚合物鋰離子電池（LiP）：在正極、負(fù)極、電解液這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料作為其主要材料的鋰離子電池。目前高分子材料主要是被應(yīng)用于正極及電解質(zhì)。13各種“鋰”電池之間的區(qū)別聚合物鋰離子電池(LIP)液態(tài)鋰離子電池(LIB)鋰錳電池(LithiumButtonCell)“鋰”電池可充不可充14二、鋰離子電池簡(jiǎn)介正極：一般采用鋰化合物鈷酸鋰LiXCoO2、鎳酸鋰LiXNiO2、錳酸鋰LiXMnO2、三元材料鎳鈷錳酸鋰Li(NiCoMn)O2、磷酸鐵鋰LiFePO4。目前絕大部分鋰離子電池采用的是鈷酸鋰作為正極。

負(fù)極：采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。電解質(zhì)：溶解有鋰鹽LiPF6、LiAsF6等有機(jī)溶液。15類別安全性能比容量mAh/g循環(huán)壽命/次電壓平臺(tái)材料成本所占成本比重適合領(lǐng)域鈷酸鋰差145＞5003.6高40%中小型移動(dòng)電池錳酸鋰較好105＞5003.7低25%對(duì)體積不敏感的中型動(dòng)力電池三元素較好160＞8003.6較高33%中小型動(dòng)力電池磷酸鐵鋰很好150＞15003.2低廉25%對(duì)體積不敏感的大型動(dòng)力電源幾種正極材料應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)比較目前看來(lái)，磷酸鐵鋰材料最適合制作大型動(dòng)力電池，已成為世界各國(guó)競(jìng)相研究和開(kāi)發(fā)的重要方向！鋰離子電池關(guān)鍵正極材料17鋰電池用負(fù)極材料碳材料非碳材料石墨非石墨天然石墨人工石墨軟碳硬碳金屬氧化物金屬間化合物其他過(guò)渡金屬氧化物錫基氧化物金屬氮化物等錫基、銻基等

18三、鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理正極反應(yīng)：LiCoO2====Li1-xCoO2+xLi++xe-

負(fù)極反應(yīng)：C+xLi++xe-===CLix

電池總反應(yīng)：LiCoO2+C====Li1-xCoO2+CLix

放電時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。19五、鋰離子電池結(jié)構(gòu)正極活性物質(zhì)（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2)導(dǎo)電劑、溶劑、粘合劑、基體負(fù)極活性物質(zhì)（石墨、MCMB)粘合劑、溶劑、基體隔膜（PP+PE）電解液（LiPF6+DMCECEMC)外殼五金件（鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片）21鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成電芯PTC保護(hù)電路板熱敏電阻MOSFET保護(hù)IC22鋰離電電池保護(hù)電路原理說(shuō)明保護(hù)ICID電阻電芯熱敏電阻MOSFETPTC或FUSE23圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖密封圈限流開(kāi)關(guān)隔膜絕緣墊25軟包裝鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖26鋰離子電池結(jié)構(gòu)——正極正極基體：鋁箔（約0.020mm厚)正極物質(zhì)：鈷酸鋰+碳黑+PVDF正極集流體：鋁帶（約0.1mm厚）27鋰離子電池結(jié)構(gòu)——隔膜材質(zhì)：?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?.016～0.020mm

三層一般為0.020～0.025mm29鋰離子電池結(jié)構(gòu)——電解液性質(zhì)：

無(wú)色透明液體，具有較強(qiáng)吸濕性。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（如環(huán)境水分小于20ppm的手套箱內(nèi)）。規(guī)格：

溶劑組成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6濃度1mol/l質(zhì)量指標(biāo)：

密度（25℃）g/cm31.23±0.03水分（卡爾費(fèi)休法）≤20ppm游離酸（以HF計(jì)）≤50ppm電導(dǎo)率（25℃）10.4±0.5ms／cm30六、液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程配料卷繞注液檢測(cè)包裝拉漿制片化成激光焊裁片31七、液態(tài)鋰離子電池性能常規(guī)性能：容量電壓內(nèi)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)32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/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(mén)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。33mAh與W·h——(毫安時(shí)與瓦時(shí)的概念)mAh:電池容量的計(jì)量單位，實(shí)際就是電池中可以釋放為外部使用的電子的總數(shù)。例：1000mAh：以1A的電流向外界持續(xù)釋放1小時(shí)W·h:電池能量的計(jì)量單位，電池容量乘以電池電壓即為瓦時(shí)。例：1W·h=1V*1A·hNOKIA:3.7V1200mAh的電池所蘊(yùn)含的能量為：3.7V*1.2Ah=4.44

W·h繼續(xù)換算成熱量：4.44W·h*3600=15984J這些熱量用來(lái)燒1瓶500ml農(nóng)夫山泉的話：Δt=7.6℃34猜一猜：諾基亞：聚合物鋰電池3.7V1200mAh哪顆電池能量大？品勝：鎳氫電池1.2V2500mAhWIN35電壓開(kāi)路電壓電池在開(kāi)路狀態(tài)下的端電壓稱為開(kāi)路電壓。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。工作電壓工作電壓指電池接通負(fù)載后在放電過(guò)程中顯示的電壓，又稱放電電壓。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。36內(nèi)阻電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)受到阻力，使電池的電壓降低，此阻力稱為電池的內(nèi)阻。電池的內(nèi)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。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化與濃差極化。內(nèi)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。37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75%，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)標(biāo)準(zhǔn)），最高可達(dá)800-1000次。38放電平臺(tái)鋰離子電池完全充電后，放電至3.6V時(shí)的容量記為C1，放電至3.0V時(shí)的容量記為C0，C1/C0稱為該電池之放電平臺(tái)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1C放電平臺(tái)為70%以上，我們現(xiàn)在可以作到83%-85%放電平臺(tái)對(duì)手機(jī)電池使用效果影響最大，關(guān)系到手機(jī)通話的聲音清晰度39自放電電池完全充電后，放置一個(gè)月。然后用1C放電至3.0V，其容量記為C2；電池初始容量記為C0；1-C2/C0即為該電池之月自放電率行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池月自放電率小于12%，我們可以做到6%-8%電池自放電與電池的放置性能有關(guān)，其大小和電池內(nèi)阻結(jié)構(gòu)和材料性能有關(guān)40各種電池的自放電率比較：鎳氫電池(Ni-MH)鎳鎘電池(Ni-Cd)鋰離子電池(LiPorLiB)30-35%25-30%10%均為室溫下充滿電的各電池儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率自放電率：因?yàn)橹谱麟姵氐脑牧喜豢赡苁前俜种俚募儯倳?huì)有雜質(zhì)混在中間，所以不可避免地存在自放電現(xiàn)象。41記憶效應(yīng)記憶效應(yīng)是針對(duì)鎳鎘電池而言的，由于傳統(tǒng)工藝中負(fù)極為燒結(jié)式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在它們被完全放電之前就重新充電，鎘晶粒容易