鋰離子電池原理及基礎(chǔ)知識介紹PPT課件

1、鋰離子電池的歷史 人類對便攜能源的追求：高能量密度，高性能，方便快捷，經(jīng)濟環(huán)保不懈追求高能電池鋰電池聚合物電解質(zhì)安全問題炭負極聚合物鋰離子繁榮的鋰離子電池石墨負極鋰離子Li固體電解質(zhì)安全活性材料二次電池70年代1989 年1993 年90 年代應(yīng)用領(lǐng)域的深化和拓展第1頁/共41頁鋰離子電池應(yīng)用第2頁/共41頁鋰離子電池種類 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、電動能源第3頁/共41頁鋰離子電池特點 優(yōu)點： 能量密度高 單電池電壓高 污染小，綠色

2、環(huán)保 不足: 安全（在逐步提高） 價格（現(xiàn)在很便宜了） 第4頁/共41頁鋰離子電池的構(gòu)造 五要素： 正極材料：含鋰的過渡族金屬化合物 負極材料：炭材料 隔離膜：PP、PE類 電解液：含鋰鹽的有機電解液 包裝：軟包裝、鋼殼、鋁殼第5頁/共41頁鋰離子電池正極材料 種類： Ni、Co、Mn的化合物：鈷酸鋰，鎳錳鈷鋰，鎳鈷鋰，尖錳 磷酸鹽類：磷酸鐵鋰，磷酸釩鋰 結(jié)構(gòu)： 層狀結(jié)構(gòu) 三維隧道結(jié)構(gòu) 特點（鈷酸鋰）： 藍黑色固體粉末 易吸潮 真實密度5g/cc，振實密度2.5g/cc，粒度8um 容量140mAh/g第6頁/共41頁鈷酸鋰 鈷原子層、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：Li

3、xCoO2 通過高溫?zé)Y(jié)制造的陶瓷材料鈷氧鋰第7頁/共41頁鈷酸鋰的電性能 可逆容量：140mAh/g 平臺: 3.9-4.0V 電壓范圍: 3.0-4.3V01505010034VmAh/gIrrRev首次充電首次放電第8頁/共41頁鈷酸鋰的電性能LiCoO2過充區(qū)域安全使用范圍3.04.05.0LiCoO2Li0.5CoO2Li0.8CoO2極度危險區(qū)域完全失效區(qū)域0mAh/g137mAh/g200mAh/g第9頁/共41頁鋰離子電池負極材料 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： 黑色固體粉末 真實密度2.2g/cc，振實密度

4、1.1g/cc，粒度20um 容量340mAh/g第10頁/共41頁石墨和石墨層間化合物a b c 鋰離子存儲在石墨層中，以一定的結(jié)構(gòu)形式存在，形成化合物L(fēng)ixC6(0 x 1) ，稱之為石墨層間化合物（GICs)，不同x對應(yīng)不同狀態(tài)GICs。第11頁/共41頁石墨的電性能 幾個平臺？ 平臺：0.3-0.05V 可逆容量：300-360mAh/g 不可逆容量：首次充電過程損失部分 RevIrrSEI第12頁/共41頁充電后的負極石墨 顏色變化 黑色淡藍色黃褐色金黃色 觀察我們的負極 化學(xué)活性 非常活潑，遇空氣易氧化，遇水劇烈反應(yīng) 拆電池時要注意 熱穩(wěn)定性 溫度越高越活潑，熱穩(wěn)定性差第13頁/共

5、41頁鋰離子電池電解液 溶劑有機碳酸脂溶劑 環(huán)狀脂：EC、PC、GBL 鏈狀脂：DEC、DMC、EMC、MPC 鹽大陰離子鋰鹽 LiPF6、LiBF4 特點： 密度：1.2g/cc 電導(dǎo)率：8mScm 粘度：3.5mPas（大約是水的三倍） 要求極低的水分含量（我們在充氮氣手套箱中灌注電解液） 控制HF含量第14頁/共41頁鋰離子電池電解液第15頁/共41頁電解液作用 環(huán)狀脂的作用： 電解質(zhì)鹽強電離溶劑 高沸點 鏈狀脂的作用： 稀釋電解液 部分電離鹽的作用 一般使用狀態(tài)： 2550環(huán)狀脂7550鏈狀脂 1M LiPF6 水分、HF20ppm第16頁/共41頁電解液對電池的影響 SEI 電解液對

6、SEI層質(zhì)量起主導(dǎo)作用 內(nèi)阻 產(chǎn)生一定的內(nèi)阻 大電流時的濃差極化較大 熱穩(wěn)定性 高溫時部分溶劑可能氣化，鼓脹電池 鹽在高溫下分解加速 安全 有氧化燃燒的危險第17頁/共41頁鋰離子電池隔離膜 多孔有機高分子膜（某些聚合物電池例外）：PP膜、PE膜、復(fù)合膜 特點： 孔隙率：45 孔徑：500（20容量衰減） 環(huán)境影響： 3040度表現(xiàn)最佳，50度衰減加速較大 為什么會衰減？ 材料 界面第30頁/共41頁倍率性能 一般使用對倍率的要求約1C 大電流電池要求很高的倍率放電性能，如5C，10C等。第31頁/共41頁自放電 自放電比較小，常溫存儲5/月。 正常自放電來源？ 自蝕 內(nèi)部微電流消耗 異常情況

7、？ 微短路 雜質(zhì)腐蝕 材料不穩(wěn)定第32頁/共41頁高溫存儲 測試在某種SOC下，一定溫度下存儲后的容量保持率、內(nèi)阻變化和厚度增長。 一般測試溫度有60、80、85度 對軟包裝電池，最重要的是厚度增長不能超標（一般要求10）。第33頁/共41頁高溫高濕 對電池密封性的一種測試。 測試環(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)。第34頁/共41頁熱箱測試 評估電池在環(huán)境溫度超標情況下電池的安全性能。 UL測試為130度，要求在規(guī)定時間內(nèi)不冒煙不著火不爆炸。 失效原因可能是正極或負極和電解液反應(yīng)，或隔離膜收縮導(dǎo)致的局部短路。第35頁/共41頁短路 UL要求滿充電池在100mohm電阻導(dǎo)線短路條件下電池不冒煙不著火不爆炸。 測試環(huán)境溫度影響很大，60度測試比較苛刻。 主要失效原因是短時大電流放電發(fā)熱導(dǎo)致電池內(nèi)部反應(yīng)失控或短路。第36頁/共41頁穿釘 評估電池非正常內(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。第37頁/共41頁過充 模擬電池使用過程中可能會面臨的非正常充電狀態(tài)下安全性能，要求不冒煙，不著火，不爆炸。 正極是過充失效的主要控制環(huán)節(jié)。 主要失效原因是正極導(dǎo)致