認識鋰離子電池

1、.鋰離子電池鋰離子電池的基本原理主要參數(shù)指標鋰離子電池的正負極材料目錄目錄CATALOG鋰離子電池的能量密度鋰離子電池的充放電倍率鋰離子電池的循環(huán)壽命鋰離子電池的安全性.鋰離子電池鋰離子電池概念 鋰離子電池是一種鋰離子濃差電池，分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的獨特機理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。 電子技術(shù)的發(fā)展，對高比能量的移動電源需求量加劇。鋰離子電池是一種理想的可移動電源，具有體積小、重量輕、放電電壓高、比能量大等優(yōu)點。自從1990年SONY公司推出世界上第一只鋰離子電池，

2、到2001年為止，整個市場每年約4億支該類電池用于純消費類電子產(chǎn)品。便攜式攝像機、移動電源、筆記本電腦、無人機等95%以上使用鋰離子二次電池作為主要電源。.鋰離子電池鋰離子電池鋰離子電池的優(yōu)點1、高能量密度：100Wh/Kg以上，為鎳鎘電池的三倍，鎳氫電池的兩倍；2、電壓高：約為3.6V；3、容量大：能量高、儲存能量密度大；4、低溫下工作優(yōu)：在-2060的溫度范圍內(nèi)工作，低溫下的工作優(yōu)于其它電池；5、低維護性：沒有記憶效應(yīng)，無需定期放電，最理想的保存方式，就是在40%充 電后冷藏保存，可以保存達10年之久；6、自放電率低：約為6%/月；7、長循環(huán)壽命（1000次，100%DOD)；8、環(huán)保：無

3、重金屬，無污染。.鋰離子電池鋰離子電池鋰離子電池的缺點1、安全性能問題：需復雜的保護線路，電解液為有機物易起火；2、放電倍率低：1C2C；3、生產(chǎn)環(huán)境對水分含量要求較為苛刻；4、價格昂貴。.鋰離子電池的基本原理鋰離子電池的基本原理 一 基本原理 在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子（Li+）充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極負極正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生化學反應(yīng)，將化學能和電能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是鋰離子電池的基本原理。 由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環(huán)過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學反應(yīng)。.鋰離子電池的基本原理鋰離子電池的基

4、本原理二 鋰離子電池的基本構(gòu)成1、正極活性物質(zhì)：三元材料（我公司選用的正極材料）是當今使用比較廣泛的正極材料；2、負極活性物質(zhì)：石墨；3、 N-甲基吡咯烷酮：化學性能穩(wěn)定和熱穩(wěn)定性好，揮發(fā)性低等；4、去離子水：我司一般使用負極性配方，成本低廉而且環(huán)保；5、PVDF-聚偏氟乙烯，白色固體，良好的耐化學腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性等；6、LA-132：水性膠的一種，具有良好的抗氧化和抗還原能力；7、Super-P：即炭黑，導電性好；8、鋁箔：良好的導電性能和延展性能；9、銅箔：我司使用的基材厚度一般為0.012mm和0.009mm；10、隔膜：主要材質(zhì)是PP或PE；11、電解液：在電池中起到傳導鋰離

5、子的作用。.鋰離子電池的基本原理鋰離子電池的基本原理三 鋰離子電池的制造工藝鋰離子電池的制作工藝根據(jù)鋸片裝配方式的不同，分為卷繞和疊片兩種工藝路線。1、疊片工藝：是將正極、負極切成小片與隔離膜疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來，組成一個大電芯的制造工藝，其大體工藝流程如下：.鋰離子電池的基本原理鋰離子電池的基本原理三 鋰離子電池的制造工藝2、卷繞工藝：是將正負極片、隔離膜、正負極耳、保護膠帶、終止膠帶等物料固定在設(shè)備上，設(shè)備經(jīng)過放卷完成電芯制作。.鋰離子電池的主要參數(shù)指標鋰離子電池的主要參數(shù)指標1、容量：使用時有額定容量和實際容量的區(qū)別。額定容量是指滿充的鋰離子電池在實驗室條件下（

6、比較理想的溫濕度環(huán)境），以某一特定的放電倍率（C）放電到截止電壓時，所能夠提供的總的電量。實際容量一般都不等于額定容量，它與溫度、濕度、充放電倍率等直接相關(guān)。一般情況下，實際容量比額定容量偏小一些，有時甚至比額定容量小很多，比如北方的冬季，如果在室外使用手機，電池容量會迅速下降。2、能量密度，指的是單位體積或單位重量的電池，能夠存儲和釋放的電量，其單位有兩種：Wh/kg，Wh/L，分別代表重量比能量和體積比能量?；诋斍暗匿囯x子電池技術(shù)，能夠達到的能量密度水平大約在100200Wh/kg，這一數(shù)值還是比較低的，是鋰離子電池應(yīng)用的瓶頸。3、充放電倍率 ：這個指標會影響鋰離子電池工作時的連續(xù)電流和

7、峰值電流，其單位一般為 C。4、電壓：有開路電壓、工作電壓、充電截止電壓、放電截止電壓等一些參數(shù)，電池的開路電壓和工作電壓，與電池的容量存在一定的對應(yīng)關(guān)系。5、壽命：鋰離子電池的壽命會隨著使用和存儲而逐步衰減，并且會有較為明顯的表現(xiàn)。鋰離子電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個參數(shù)。.鋰離子電池的主要參數(shù)指標鋰離子電池的主要參數(shù)指標6、內(nèi)阻：指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力，內(nèi)阻的單位毫歐（m），內(nèi)阻越小，鋰離子電池的壽命和倍率性能就會越好。7、自放電：一旦鋰離子電池的自放電導致電池過放，其造成的影響通常是不可逆的，即使再充電，電池的可用容量也會有很大損失，壽命會快速衰減。所以長期放

8、置不用的鋰離子電池，一定要記得定期充電，避免因為自放電導致過放，性能受到很大影響。8、工作溫度范圍：由于鋰離子電池內(nèi)部化學材料的特性，鋰離子電池有一個合理的工作溫度范圍（常見的數(shù)據(jù)在-4060之間），如果超出了合理的范圍使用，鋰離子電池的存儲溫度也是有嚴格約束的，長期高溫或低溫存儲，會對鋰離子電池的性能造成較大的影響。.鋰離子電池的正負極材料鋰離子電池的正負極材料一 正極材料 鋰離子電池的能量密度、充放電倍率、安全性等一些關(guān)鍵指標，主要受制于正極材料。 鋰離子電池正極材料：鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料等，鎳鈷錳三元材料逐漸成為市場的主流。 以上僅僅是比較常見的鋰離子電池正極材料，并

9、不代表所有的技術(shù)路線。實際上，不管是高校和科研院所，還是企業(yè)，都在努力研究新型的鋰離子電池正極材料，希望把能量密度和壽命等關(guān)鍵指標提升到更高的量級。當然，如果要在2020年達到250Wh/kg，甚至300Wh/kg的能量密度指標，現(xiàn)在商業(yè)化應(yīng)用的正極材料都無法實現(xiàn)，那么正極材料就需要比較大的技術(shù)變革，如改變層狀結(jié)構(gòu)為尖晶石結(jié)構(gòu)的固溶體類材料，以及有機化合物正極材料等，都是目前比較熱門的研究方向。.鋰離子電池的正負極材料鋰離子電池的正負極材料二 負極材料 鋰離子電池負極材料的種類繁多，根據(jù)化學組成可以分為金屬類負極材料（包括合金）、無機非金屬類負極材料及金屬氧化物類負極材料。 就當前的市場而言，

10、在大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用方面，負極材料仍然以碳材料為主，石墨類和非石墨類碳材料都有應(yīng)用。在汽車及電動工具領(lǐng)域，鈦酸鋰作為負極材料也有一定的應(yīng)用，主要是具有非常優(yōu)異的循環(huán)壽命、安全性和倍率性能，但是會降低電池的能量密度，因此不是市場主流。其他類型的負極材料，除了SONY在錫合金方面有產(chǎn)品推出，大多仍以科學研究和工程開發(fā)為主，市場化應(yīng)用的比較少。.鋰離子電池的能量密度鋰離子電池的能量密度 能量密度是制約當前鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸。針對能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標，基本上都

11、指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當于在當前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。提高能量密度努力的方向：1、提高正極活性物質(zhì)的占比。提高鋰元素的占比，在同一個電池化學體系中，鋰元素的含量上去了（其他條件不變），能量密度也會有相應(yīng)的提升；2、提高負極活性物質(zhì)的占比。是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負極活性物質(zhì)來容納游過來的鋰離子，存儲能量。3、提高正極材料的比容量（克容量）。在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學反應(yīng)，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標要高。.鋰離子電池的能量密度鋰離子電池的能量密度4、提高負極

12、材料的比容量。以質(zhì)量更少的負極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達到提升能量密度的目標。5、減重瘦身。除了正負極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。 從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個系統(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開發(fā)新材料和新化學體系這幾個方面入手，尋找短期、中期和長期的解決方案。.鋰離子電池的充放電倍率鋰離子電池的充放電倍率 鋰離子電池的充放電倍率，決定了我們可以以多

13、快的速度，將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。當然，這個存儲和釋放的過程是可控的，是安全的，不會顯著影響電池的壽命和其他性能指標。 鋰離子電池的充放電倍率性能，與鋰離子在正負極、電解液、以及他們之間界面處的遷移能力直接相關(guān)，一切影響鋰離子遷移速度的因素，都會影響鋰離子電池的充放電倍率性能。此外，電池內(nèi)部的散熱速率，也是影響倍率性能的一個重要因素，如果散熱速率慢，大倍率充放電時所積累的熱量無法傳遞出去，會嚴重影響鋰離子電池的安全性和壽命。 因此，研究和改善鋰離子電池的充放電倍率性能，主要從提高鋰離子遷移速度和電池內(nèi)部的散熱速率兩個方面著手。.鋰離子電池的充放電

14、倍率鋰離子電池的充放電倍率1. 提高正、負極的鋰離子擴散能力鋰離子在正/負極活性物質(zhì)內(nèi)部的脫嵌和嵌入的速率，也就是鋰離子從正/負極活性物質(zhì)里面跑出來的速度，或者從正/負極表面進入活性物質(zhì)內(nèi)部找個位置“安家”的速度到底有多快，這是影響充放電倍率的一個重要因素。2. 提高電解質(zhì)的離子電導率鋰離子在正/負極材料里面玩的是賽跑，在電解質(zhì)里面的比賽項目卻是游泳。3. 降低電池的內(nèi)阻 不同材料不同形狀的導電劑、正負極的集流體（極耳）、電解質(zhì)與正負極材料的浸潤程度、電解質(zhì)膜的變化等都會對電池內(nèi)阻產(chǎn)生影響，進而影響其倍率性能。.鋰離子電池的循環(huán)壽命鋰離子電池的循環(huán)壽命 循環(huán)壽命的衰減，其實也就是電池當前的實際

15、可用容量，相對于其出廠時的額定容量，不斷下降的一種變化趨勢。 影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素有以下幾種：1、金屬鋰的沉淀原因：充電超過截止電壓；大倍率充電；負極材料不足。危害：金屬鋰的沉積，不但會造成循環(huán)壽命的下降，嚴重時還會導致正負極短路，造成嚴重的安全問題。措施：要解決這個問題，就需要合理的正負極材料配比，同時嚴格限定鋰電池的使用條件，避免超過使用極限的情況。當然，從倍率性能著手，也可以局部改善循環(huán)壽命。2、正極材料分解在長期的使用過程中，分解產(chǎn)生一些電化學惰性物質(zhì)（如Co3O4，Mn2O3等）以及一些可燃性氣體，破壞了電極間的容量平衡，造成容量的不可逆損失。危害：影響電池容量，還會造成嚴重

16、的安全風險。措施：除了嚴格限定電池的充電截止電壓之外，提高正極材料的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，也是降低循環(huán)壽命下降速度的可行方法。.鋰離子電池的循環(huán)壽命鋰離子電池的循環(huán)壽命3、電極表面的SEI膜危害：SEI膜的形成過程會消耗電池中的鋰離子，并且SEI膜并不是穩(wěn)定不變的，SEI膜有一定的厚度，不利于鋰離子在負極材料的擴散，這也會造成電池容量的下降。4、電解質(zhì)的影響原因：電解質(zhì)中含有活潑氫的物質(zhì)和鐵、鈉、鋁、鎳等金屬離子雜質(zhì)，電解質(zhì)中含有一定量的水，造成電池循環(huán)壽命下降。措施：選擇合適的電解質(zhì)。5、隔離膜阻塞或損壞原因：隔離膜逐漸干涸失效引起的電池早期性能衰退。6、正負極材料脫落措施：粘結(jié)劑的長期穩(wěn)定

17、性和電池良好的機械性能，能延緩電池循環(huán)壽命的下降速度。7、外部使用因素鋰離子電池有合理的使用條件和范圍。但是在實際使用當中，超出允許范圍的濫用情況非常普遍，長期的不合理使用，會導致電池內(nèi)部發(fā)生不可逆的化學反應(yīng)，造成電池機理的破壞，加速電池的老化，造成循環(huán)壽命的迅速下降，嚴重時，還會造成安全事故。.鋰離子電池的安全性鋰離子電池的安全性 鋰離子電池的安全性問題，其內(nèi)在原因是電池內(nèi)部發(fā)生了熱失控，熱量不斷的累積，造成電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升，其外在的表現(xiàn)是燃燒、爆炸等劇烈的能量釋放現(xiàn)象。 鋰離子電池的熱失控，并不是瞬間完成的，而是一個漸進的過程。這個過程，一般由過充、大倍率充放電、內(nèi)短路、外短路、振動、碰撞、跌落、沖擊等原因，導致電池內(nèi)部短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱，并不斷的累積，推動電池的溫度不斷上升。 從正負極材料、電解液、隔離膜等主要成分入手，選擇化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)良的材料，具有良好的阻燃特性