電化學(xué)課件二次鋰離子電池的基礎(chǔ)知識

1、電 池 基 礎(chǔ) 知 識二次鋰離子電池的基礎(chǔ)知識電 化 學(xué)電池基礎(chǔ)知識培訓(xùn)課件1、電化學(xué)與電池的定義；2、電池的分類、定義及其用途；3、鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理；4、鋰電池的制造工藝流程簡圖5、鋰電池的基本性能參數(shù) 電池基礎(chǔ)知識培訓(xùn)目錄6、鋰電池的相關(guān)市場信息及產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)況 1、電化學(xué)與電池的定義電化學(xué)：是研究電現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象之間的關(guān)系及電能 和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的一門科學(xué)。電池： 就是將化學(xué)能、光能、熱能、核能等直接轉(zhuǎn) 換為電能的系統(tǒng)裝置。 有化學(xué)電池、太陽電池、濃差電池、核電池 等。通常所說的電池指化學(xué)電池。 、電池的分類、定義及其用途二次電池：通過充電將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能貯存起來，使用

2、時再將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?（蓄電池） 釋放出來的一種化學(xué)電池。其轉(zhuǎn)變的過程是可逆的。蓄電池的充電和放電過 程可以重復(fù)循環(huán)多次，故蓄電池又稱為二次電池 。 電池充電：當蓄電池已完全放電或部分放電后，兩電極板表面形成新的化合物，這時若用 適當?shù)姆聪螂娏魍ㄈ胄铍姵?，就可以使在放電過程中形成的化合物還原為原 先的活性物質(zhì)，供下次放電再用，此過程叫充電，即將電能以化學(xué)能的形式 貯存在蓄電池中。電池放電：電池接通負載供給外電路電流的過程叫放電 。原電池電解質(zhì)濃差電池 電極濃差電池 單液電池 雙液電池 電池液態(tài)電池固態(tài)電池濃差電池核電池太陽電池化學(xué)電池燃料電池 一次電池 二次電池 鋰離子電池 鉛酸電池 鎳鎘/

3、鎳氫電池 方形鋰電池圓柱鋰電池軟包鋰電池、電池的分類、定義及其用途鋰電池： 鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。 由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境 要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。 鋰離子電池： 鋰離子電池是指由兩個能夠可逆嵌入與脫嵌鋰離子的化合物分別作為正負極 構(gòu)成的二次電池,它具有高電壓、大容量、自放電小及綠色環(huán)保等優(yōu)點。鋰離子電池種類： 鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池(LIB)、聚合物鋰離子電池(PLB)； 其中，液態(tài)鋰離子電池是指 Li +嵌入化合物為正、負極的二次電池。 正極采用鋰化合物LiCoO2或LiMn2

4、O4等，負極采用鋰-碳層間化合物 鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng) 無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，是21世紀發(fā)展的理想能源。鋰離子電池應(yīng)用： 鋰離子電池目前已經(jīng)成為通訊、數(shù)碼產(chǎn)品的標配移動電源。從2002年起，聯(lián)合國在世界范圍內(nèi)強制規(guī)定，要求新出廠的汽車將原來12V的鉛酸蓄電池改為36V鋰離子電池。鋰離子電池作為電動自行車、電動汽車、混合電動汽車的動力電源也得到了廣泛應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域、軍事應(yīng)用、微型機電系統(tǒng)、動力負荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)等方面，鋰離子電池正在扮演越來越重要的角色。鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理（圓柱型鋰離子電池）鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理（方型鋰離子電池

5、）鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理（聚合物鋰離子電池）鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理正極基體：鋁箔（約0.015mm厚)正極物質(zhì)：鈷酸鋰+碳黑+PVDF正極集流體：鋁帶（約0.1mm厚）鋰離子電池的正電極部品構(gòu)造： LiCoO2(鈷酸鋰)+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔）鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理鋰離子電池的負電極部品構(gòu)造： 油系：石墨+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（銅箔） 水系：石墨+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑(SBR)+ 集流體（銅箔）負極基體：銅箔（約0.009mm厚)負極物質(zhì)：石墨+CMC+SBR負極集流體：鎳帶（約0.1mm厚）鋰

6、電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理鋰離子電池的主要部品構(gòu)造：鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理充電過程：如上圖一個電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達負極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。電池放電過程:電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路不同，放電時，電子從負極經(jīng)過電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達正極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。 Li+Li+Li+Li+Li+Li+ DischargeLi+ Li+ Li+Li+Li+Li+Li+L

7、i+Li+LiCoO2 正極碳材料 負極Li+Li+ChargeO層O層Co層O層O層Co層O層O層Co層O層O層Co層O層O層Co層Cu箔Al箔電解液多孔隔膜鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)原理正極反應(yīng)：負極反應(yīng)：總的反應(yīng)： 、鋰電池的制造工藝流程簡圖圓柱型鋰離子電池制造工藝流程簡圖：鈷氧正極材料、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑、溶劑混合 攪拌在鋁箔上涂布壓延/分切正電極碳負極材料、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑、溶劑混合 攪拌在銅箔上涂布壓延/分切負電極隔膜卷回電芯裝配除塵烘烤噴碼X線/外觀檢查清洗烘干注液封裝活性化老化分容篩選老化出貨包裝入庫檢測充電、鋰電池的制造工藝流程簡圖軟包鋰離子電池制造工藝流程簡圖（常規(guī)容量型）：鈷氧

8、正極材料、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑、溶劑混合 攪拌在鋁箔上涂布壓延/分切正電極碳負極材料、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑、溶劑混合 攪拌在銅箔上涂布壓延/分切負電極隔膜卷回封套鋁塑膜除塵烘烤出貨包裝/入庫檢測/充電/真空封邊噴碼X線/外觀檢查注液封頂活性化老化分容篩選常溫擱置、鋰電池的制造工藝流程簡圖出貨包裝/入庫檢測/充電/真空封邊聚合物鋰離子電池制造工藝流程簡圖（動力型）：隔膜電芯疊片極耳焊接鈷氧正極材料、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑、溶劑混合 攪拌在鋁箔上涂布壓延/分切正電極正極沖切碳負極材料、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑、溶劑混合 攪拌在銅箔上涂布壓延/分切負電極負極沖切封套鋁塑膜噴碼注液封頂烘烤干燥活性化老化分容篩選常溫擱置、鋰電池基本

9、性能參數(shù)鋰離子電池的性能參數(shù)主要有：容量、電壓、內(nèi)阻、循環(huán)壽命電動勢： 等于單位正電荷由負極通過電池內(nèi)部移到正極時，電池非靜電力 （化學(xué)力）所做的功。電動勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池 的大小無關(guān)。電池容量：電池在一定放電條件下所能輸出的總電荷量，以符號C表示，常用 的單位為安培小時，簡稱安時（Ah）或毫安時（mAh），它等于放 電電流與放電時間的乘積。標稱容量：是按國家或有關(guān)部門頒布的標準，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。實際容量：是指電池在一定條件下所能輸出的電量。 小電池實際容量會高于標稱15 mAh； 大電池實際容量會高于標稱30 mAh；理論比能量：在電池反

10、應(yīng)中，1千克反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能。電池的實際比能 量要比理論比能量小。因為電池中的反應(yīng)物并不全按電池反應(yīng)進行 同時電池內(nèi)阻也要引起電動勢降，因此常把比能量高的電池稱做高 能電池。電池的電極面積越大，其內(nèi)阻越小 。、鋰電池基本性能參數(shù)開路電壓（斷路電壓）： 是指電池在非工作狀態(tài)下，即電路無電流流過時，電池正負極之間的電勢 差一般情況下，Li-ion充滿電后開路電壓為左右，放電后開路壓為左右，通過電池的開路電壓，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。標稱電壓（工作電壓） : 是指電池在正常工作過程中表現(xiàn)出來的電壓 ,鋰電池標稱電壓為 3.6V 充電電壓： 是指二次電池在充電時，外電源加在電池兩端的電壓。充電的基

11、本方法有 恒電流充電和恒電壓充電。一般采用恒流恒壓充電，其特點時在充電過程 中充電電流恒定不變。隨著充電的進行，活性物質(zhì)被恢復(fù)，電極反應(yīng)面積 不斷縮小，電極的極化逐漸增高。終止電壓： 指電池在放電時，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓( 其數(shù)值與 放電電流有關(guān) )。鋰離子電池電壓：、鋰電池基本性能參數(shù)電池內(nèi)阻：包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。極化內(nèi)阻：包括電化學(xué)極化與濃差極化。極化電阻隨電流密度增加而增大。歐姆電阻：遵守歐姆定律； 電池內(nèi)阻不是常數(shù)，在充放電過程中隨時間不斷變化，因為活性物質(zhì) 的組成、電解液濃度和溫度都在不斷地改變。對電池而言，其容量 越小內(nèi)阻越大。鋰離子電池內(nèi)阻： 在環(huán)境溫度20

12、5的條件下，以1C充電，當電池端電壓達到充電限 制電壓時，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于1/20C，停止 充電，擱置0.5h1h，然后以1C電流放電至終止電壓，放電結(jié)束 后，擱置0.5h1h，再進行下一個充放電循環(huán)，直至連續(xù)兩次放電時間 小于36min，則認為壽命終止。對于二次電池，使用壽命時衡量電池性能好壞的一個重要參數(shù)。二次電池經(jīng)過一次充電和放電，稱為一個周期（或已此循環(huán)）。在一定的充放電制度下，電池容量達到某一規(guī)定值之前電池能經(jīng)受的充放電次數(shù)稱為二次電池的使用周期。 鋰離子電池循環(huán)壽命：、鋰電池的相關(guān)市場信息及產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)JAPAN：SONY、SANYO KOREA：SAMSUNG

13、、LG 、SKC、VKCHINA： ATL、 TCL、LiShen等鋰離子主要制造基地：SONYBellcore液態(tài)軟包代表目前主流產(chǎn)品的技術(shù)三大體系：、鋰電池的相關(guān)市場信息及產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)鋰離子電池市場份額分配趨勢圖：1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q383450P401430P402030P402025P502030P502025P503450P503562P503759PTypical CellTypeCY2005CY2006CY2007 700mAh 720mAh 750mAh 110mAh 120mAh 130mAh 170mAh 180mAh 200mAh 140mAh

14、 150mAh 160mAh 230mAh 250mAh 260mAh 190mAh 200mAh 210mAh 900mAh 950mAh 1050mAh 1100mAh 1150mAh 1250mAh 1200mAh 1240mAh 1300mAh、鋰電池的相關(guān)市場信息及產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)POLYMET電池容量趨勢圖：、鋰電池的相關(guān)市場信息及產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)SONY的生產(chǎn)工藝流程：、鋰電池的相關(guān)市場信息及產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)BELLCORE的生產(chǎn)工藝流程：、 854h測試電池厚度曲線對比、 100次循環(huán)容量保持率95%以上、 100次循環(huán)后平臺保持率92%以上、 100次循環(huán)后電池厚度和內(nèi)阻變化率 檢測項目：厚度及內(nèi)阻變化 檢測參數(shù)：檢測參數(shù)：用1C充放電循環(huán)前循環(huán)后厚度變化率內(nèi)阻變化率編號厚度內(nèi)阻厚度內(nèi)阻13.83 39.1