鋰離子電池原理及基礎(chǔ)知識(shí)介紹.

1、鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)Sept., 2010鋰離子電池的歷史人類對(duì)便攜能源的追求：高能量密度，高性能, 方便快捷，經(jīng)濟(jì)環(huán)保鋰離子電池應(yīng)用鋰離子電池種類按外形：圓柱形、方形、異形按包裝材質(zhì)：鋼殼、鋁殼、鋁塑軟包裝按電解液：液態(tài)鋰離子、凝膠聚合物、固 體聚合物按構(gòu)造：層疊式、卷繞式按性能：高能量、高功率（高倍率）按應(yīng)用：便攜小器件、電動(dòng)能源鋰離子電池特點(diǎn)Volume energy dens i t y Uli /1O005000502 11100 200優(yōu)點(diǎn)：-能量密度高-單電池電壓高-污染小，綠色環(huán)保不足：-安全（在逐步提高）-價(jià)格（現(xiàn)在很便宜了）鋰禺子電池的構(gòu)造五要素：-正極材料：含鋰的過渡族金屬

2、化合物-負(fù)極材料：炭材料-隔離膜：PP、PE類-電解液：含鋰鹽的有機(jī)電解液-包裝：軟包裝、鋼殼、鋁殼鋰離子電池正極材料LiCoOa鋰O氧鉆種類：一 Ni、Co、Mn的化合物：鉆酸鋰，線低鉆鋰，線鉆鋰，尖鎰 -磷酸鹽類：磷酸鐵鋰，磷酸饑鋰結(jié)構(gòu)：-層狀結(jié)構(gòu)-三維隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（鉆酸鋰）:-藍(lán)黑色固體粉末-易吸潮-貞實(shí)密度5g/cc,振實(shí)密度2.5g/cc,粒度8um-容量140mAh/g鉆酸鋰鉆原子層、氧原子層和鋰原子層 交替堆疊而成的層狀晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)式：LixCoO2通過高溫?zé)Y(jié)制造的陶瓷材料鉆酸鋰的電性能可逆容量:140mAh/g平臺(tái)：-3.9-4.0V 電壓范圍：-3.0-4.3VmAh/g鉆

3、酸鋰的電性能種類：-炭材料家族：人造石墨、天然石墨、硬炭-非炭類：硅炭、錫合金結(jié)構(gòu)(石墨):層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：-黑色固體粉末-真實(shí)密度2.2g/cc,振實(shí)密度1.1g/cc,粒度 20um一容量340mAh/g石墨和石墨層間化合物鋰離子存儲(chǔ)在石墨層中，以一定的結(jié)構(gòu)形式存在，形成化合物L(fēng)ixC6(0l Jly f (DEGoo、o電解液作用環(huán)狀脂的作用：-電解質(zhì)鹽強(qiáng)電離溶劑-高沸點(diǎn)鏈狀脂的作用：-稀釋電解液-部分電離鹽的作川 一般使用狀態(tài)：- 25 50 %環(huán)狀脂+ 75 50 %鏈狀脂一 1M LiPF6一水分、HFv20ppm電解液對(duì)電池的影響 SEI-電解液對(duì)SEI層質(zhì)量起主導(dǎo)作川內(nèi)阻-產(chǎn)生一

4、定的內(nèi)阻-大電流時(shí)的濃差極化較大熱穩(wěn)定性-高溫時(shí)部分溶劑可能氣化，鼓脹電池-鹽在高溫下分解加速-冇氧化燃燒的危險(xiǎn)多孔有機(jī)高分子膜（某些聚合物電池例 夕卜）:PP膜、PE膜、復(fù)合膜特點(diǎn)：-孔隙率：45%-孔徑：0.5um-強(qiáng)度：MD, TD一厚度：20um一收縮率：2%隔離膜隔離膜對(duì)電池性能的影響和如何避免 -內(nèi)阻：影響離子傳導(dǎo)有效面積和距離 一自放電-安全問題隔離膜在電池中會(huì)老化嗎？我們的集流體粉末正、負(fù)極材料的家-構(gòu)成電極的一部分-匯集電流-正極：鋁箔-負(fù)極：銅箔如果負(fù)極用鋁箔呢？對(duì)集流體有哪些要求?包裝箔有幾層?我們的包裝箔是多層鋁塑復(fù)合材料每層有各自的功能對(duì)包裝箔的保護(hù)耍注意哪些方面？尼

5、鋁P龍箔層層鋁塑包裝箔鋰離子電池工作原理鋰離子在正、負(fù) 極之間循環(huán)旅游, 這個(gè)旅游過程表 現(xiàn)為電池放電或 充電鋰離子電池工作原理鋰離子電池工作原理鋰離子電池工作原理止極:LiCoO2充電/肢入、Li. CoO9+xLi + +xe_I -xz鋰離子電池工作原理鋰離子電池工作原理負(fù)極:+充電/嵌入、6C + xL+xe- W二二二 Li C6放電/脫恨X 鋰離子電池工作原理鋰離子電池工作原理總的反應(yīng):充電/嵌入、QLiC匸盂產(chǎn)。2皿心鋰離子電池工作原理電池首次充電放電過程叫電池活化：-正、負(fù)極材料表面形成的SEI層，構(gòu)成穩(wěn)定的界面。-去除大部分雜質(zhì)-形成穩(wěn)定的電化學(xué)體系活化過程會(huì)消耗部分能量，構(gòu)

6、成了不可逆容量部 分 SEI層的質(zhì)量很大程度上決定了電池的質(zhì)量SEI層是什么？相當(dāng)于一個(gè)保護(hù)鈍化膜，是通過電化學(xué)鈍化形成的，厚度 為納米級(jí)。主要成分是電解液中成分在正、負(fù)極表面分解的產(chǎn)物：一無機(jī)鋰：LiF, Li2O-有機(jī)鋰：LiR特點(diǎn)：鋰離子導(dǎo)通，電子絕緣！ ！ SEI層對(duì)負(fù)極尤為重要 SEI層的重要意義：-保護(hù)了電極材料不受電解液的侵蝕-保證了電池的效率和循環(huán)使用負(fù)極SEI層形成過程3：=什一 1、E溶劑分解反應(yīng)產(chǎn)生氣體 溶劑化鋰離子1尸的吸附5溶劑化鋰離子1+（副反應(yīng)）可溶產(chǎn)物f溶液 溶劑不溶產(chǎn)物如LI2O5LiELiCLLkO聚合 EC作用巨大 PC產(chǎn)生破壞鏈狀脂貢獻(xiàn)小添加劑可以彌 補(bǔ)

7、固體產(chǎn)物在電 極表面附著， 氣體需要排出溶劑電池負(fù)極析鋰當(dāng)負(fù)極不夠容納、或來不及容納來自正極 的鋰離子時(shí)，鋰離子就會(huì)在負(fù)極表面以金 屬鋰的形式析出，并繼而和電解液等反應(yīng) 生產(chǎn)副產(chǎn)物沉積在負(fù)極表面，并可能產(chǎn)生 氣體。觀察中可以看到析鋰后的負(fù)極表而好似有 一層粘性附著物。電池要避免析鋰。電池性能有哪些體現(xiàn)和要求電性能-能量密度-彳卅環(huán)性能-內(nèi)阻-倍率性能安全性能(UL1642, GB/T 18287-2000)-非正常充放電安全性能-環(huán)境安全性能-機(jī)械安全性能能量密度和內(nèi)阻能量密度：一高容量電池：400Wh/L, 160Wh/kg 383450?一高功率電池：300Wh/L, 110Wh/kg內(nèi)阻

8、-電池結(jié)構(gòu)：極片厚度、長(zhǎng)度、寬度-材料特性- 一般和容量成反比循環(huán)性能 一般要求：-常溫500% （20%容量衰減）環(huán)境影響：-30-40度表現(xiàn)最佳，50度衰減加速較大為什么會(huì)衰減？-材料界面倍率性能一般使用對(duì)倍率的要求約1C大電流電池要求很高的倍率放電性能，如 5C, 10C 等。自放電自放電比較小，常溫存儲(chǔ)v5%/月。 正常自放電來源？-自蝕-內(nèi)部微電流消耗異常情況？-微短路-雜質(zhì)腐蝕-材料不穩(wěn)定高溫存儲(chǔ)測(cè)試在某種SOC下，一定溫度下存儲(chǔ)后的 容量保持率、內(nèi)阻變化和厚度增長(zhǎng)。 一般測(cè)試溫度有60、80、85度對(duì)軟包裝電池，最重要的是厚度增長(zhǎng)不能 超標(biāo)（一般要求10%） o高溫高濕對(duì)電池密封

9、性的一種測(cè)試。測(cè)試環(huán)境濕度約95%,溫度為65度。要求容量保持率、內(nèi)阻變化和厚度變化在 規(guī)定范圍內(nèi)。熱箱測(cè)試評(píng)估電池在環(huán)境溫度超標(biāo)情況下電池的安 全性能。 UL測(cè)試為130度，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不冒煙 不著火不爆炸。失效原因可能是正極或負(fù)極和電解液反應(yīng)， 或隔離膜收縮導(dǎo)致的局部短路。短路 UL要求滿充電池在10Omohm電阻導(dǎo)線短路 條件下電池不冒煙不著火不爆炸。測(cè)試環(huán)境溫度影響很人，60度測(cè)試比較苛 亥|J。主要失效原因是短時(shí)大電流放電發(fā)熱導(dǎo)致 電池內(nèi)部反應(yīng)失控或短路。穿釘評(píng)估電池非正常內(nèi)短路條件下的安全特性。 UL要求在2.8mm鐵釘刺穿后不冒煙不著火 不爆炸。主要失效原因是局部短路和過熱造成的反 應(yīng)失控。過充模擬電池