鋰電池培訓(xùn)教材課件

1、 培訓(xùn)教材電池基礎(chǔ)知識培訓(xùn)提綱電池基礎(chǔ) 鋰離子電池基礎(chǔ) 鋰離子電池相關(guān)檢測 星恒的質(zhì)量控制及安全保證、測試標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果鋰離子電池及電池組的性能電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計及接口鋰離子電池的儲藏和運輸常見問題和解答電池基礎(chǔ)電池的歷史電池的構(gòu)成電池的分類常見可充電電池性能比較各類電池的市場分額和發(fā)展電池基礎(chǔ)知識1 電池的發(fā)展簡史：公元前100公元100年 電池原形1800年1900年2000年17801791發(fā)明伽尼爾電池1800年伏特發(fā)明電池1833年發(fā)現(xiàn)法拉第法則1836年發(fā)明丹尼爾電池1859年發(fā)明鉛酸電池1868年發(fā)明干電池1899年發(fā)明Ni-Cd蓄電池 1901年發(fā)明Ni/Fe電池1951年發(fā)明密封N

2、i-Cd電池1990年發(fā)明鋰離子電池1995年發(fā)明聚合物電解質(zhì)鋰離子電池2 電池的要素和組成：電池基礎(chǔ)知識電極 負(fù)極：通常將電池電極中電壓較低的一極稱為負(fù)極 正極：通常將電池電極中電壓較高的一極稱為正極隔膜：在電池中，防止正負(fù)極間電子導(dǎo)通，而又能讓離子通過（離子傳導(dǎo)）的隔離材料，一般為多孔薄膜材料電解質(zhì)溶液（電液）：在電池內(nèi)正負(fù)極間提供離子傳輸作用其他構(gòu)件：如外殼，極柱，密封件等電池基礎(chǔ)知識3 電池的分類：電池一次電池（干電池）二次電池（充電電池或蓄電池）鉛酸電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池液態(tài)鋰離子電池聚合物態(tài)鋰離子電池另外還有燃料電池、太陽能電池等等電池基礎(chǔ)知識4 常見可充電電池性能比較：電

3、池體系組成環(huán)保性能 電池電壓（V）能量密度充電循環(huán)自放電率負(fù)極電解液正極Wh/kgWh/L鋰離子電池碳LiPF6LiMn2O4或LiCoO2綠色環(huán)保3.6130-150350-40010008%鉛酸電池PbH2SO4PbO2鉛污染嚴(yán)重 2.030-5050-80300-50020%鎳鎘電池CdKOHNiOOH鎘污染嚴(yán)重1.250-60130-150400-60025%鎳氫電池儲氫材料KOHNiOOH環(huán)保1.260-70190-20050010%電池基礎(chǔ)知識5 各類二次電池的市場份額和發(fā)展：鋰離子電池基礎(chǔ)鋰離子電池“前世今生”鋰離子電池工作原理鋰離子電池基本結(jié)構(gòu)鋰離子電池的優(yōu)點和缺點鋰離子電池應(yīng)

4、用領(lǐng)域鋰離子電池的進一步發(fā)展鋰離子電池基礎(chǔ)知識1 鋰離子電池的“前世今生” ：鋰離子電池是20世紀(jì)90年代開發(fā)成功的新型高能電池。鋰離子電池的“前世”：早期負(fù)極為金屬鋰的“鋰電池”，但金屬鋰的化學(xué)活性太大， 充電時產(chǎn)生的枝晶會使電池短路，目前尚未真正解決其安全問題。鋰離子電池的“今生”：鋰離子電池名稱開始于日本企業(yè)，針對含金屬鋰負(fù)極的鋰二次電池 而言，1991年由索尼公司率先實現(xiàn)商業(yè)化。采用可嵌鋰碳材料為負(fù)極，正極采用含鋰的 過渡金屬氧化物，利用溶有鋰鹽非水溶劑作為電介質(zhì)。Secondary (rechargeable) batteriesLithium-ion batteryDischarg

5、eChargeCathode (LiMexOy) LiCoO2 -utilized for commercial batteriesLiNiO2, LiMn2O4-prospectiveAnode (CLix) Cathode:LiMeO2 - xe- Li1-xMeO2 + xLi+Anode:C + xLi+ + xe- CLixCHARGEDISCHARGECHARGEDISCHARGESeparatorAluminum canPositive terminalNegative terminal鋰離子電池基礎(chǔ)知識3 鋰離子電池基本結(jié)構(gòu)：極柱安全閥外殼負(fù)極隔膜正極極柱安全閥外殼負(fù)極隔膜正極

6、星恒電源10Ah電芯解剖示意圖鋰離子電池基礎(chǔ)知識鋰離子電池基礎(chǔ)知識4 鋰離子電池的優(yōu)點和缺點：鋰離子電池重量輕、體積小，壽命長，沒有記憶效應(yīng)，具備良好的溫度特性，同時由于沒有重金屬污染、沒有毒性物質(zhì)，是新一代環(huán)保型綠色電池。被業(yè)界稱之為“終極電池”鋰離子鉛酸鎳鎘鎳氫重量5113壽命5234環(huán)保5215記憶5313溫度特性523缺點：鋰離子電池價格相對昂貴，發(fā)展時間短，制造工藝的成熟性不如鉛酸，鎳鎘及鎳氫電池，但隨時間的推移，鋰離子電池的制造工藝會越來越成熟，價格也會逐漸降低。鋰離子電池基礎(chǔ)知識5 液態(tài)鋰離子電池與聚合物鋰離子電池的異同：相同點：正負(fù)極活性物質(zhì)相同 電池工作原理相同 單體電池工作

7、電壓相同不同點：液態(tài)鋰離子電池的電解液是液態(tài)的有機電解液，聚合物鋰離子電池的電解質(zhì)是將液態(tài)的有機電解液吸附在一種聚合物基質(zhì)上，所以被稱為凝膠聚合物電解質(zhì)。優(yōu)缺點比較：液態(tài)鋰離子電池的功率較聚合物鋰離子電池大的多，反映在電動自行車上，液態(tài)比聚合物有更強的爬坡能力；液態(tài)鋰離子電池的價格較聚合物鋰離子電池便宜。聚合物鋰離子電池由于不存在游離的電解液，不存在漏液的情況。鋰離子電池基礎(chǔ)知識6 液態(tài)軟包裝、凝膠聚合物和液態(tài)鋰離子電池的安全性：目前市場上大量出現(xiàn)的是液態(tài)軟包裝電池，液態(tài)軟包裝電池內(nèi)部電化學(xué)體系和金屬殼包裝電池一樣。優(yōu)缺點比較：采用液體電解液，因此在大電流放電等性能上也不錯。由于采用軟包裝，包

8、裝較易損壞，在一些振動頻繁的應(yīng)用領(lǐng)域，如電動自行車等，需要謹(jǐn)慎。金屬殼液態(tài)液態(tài)軟包裝凝膠型電解液液態(tài)液態(tài)凝膠態(tài)包裝金屬鋁塑膜鋁塑膜爬坡能力很好很好差安全性鋰離子電池的安全性需要從正極材料入手，光靠更換軟包裝無法從根本上解決。軟包裝的電池如果爆炸，不存在金屬物射出物，然仍無法解決燃燒等危險。從電極材料和電解液入手，才是解決鋰離子電池安全性的根本途徑。鋰離子電池基礎(chǔ)知識7 電池的一致性問題：單體電池不存在一致性問題，一致性問題主要集中在電池組中，影響電池組一致性的主要因素是1.電池的自放電，2.內(nèi)阻，3.電池中電池的數(shù)量，4.有無均衡線路等。同樣容量和電壓的電池組，鋰離子電池數(shù)量越少，對一致性要求

9、越低。星恒公司通過一系列嚴(yán)格的質(zhì)量控制和工藝改進手段，極大了提高了電芯的一致性。目前生產(chǎn)的鋰離子電池的1.月自放電均小于10，2.且電池間的差異很小，3.通過采用獨家均衡線路技術(shù)，更進一步提高了一致性。鋰離子電池基礎(chǔ)知識8 鎳氫（Ni/MH）電池的簡介：鎳氫電池的工作電壓為1.2V，無鉛酸，鎘鎳電池的重金屬污染問題，也屬于綠色環(huán)保型電池，但與鋰離子電池相比，鎳氫電池的工作電壓只有鋰離子電池的1/3，同樣一個電池鎳氫電池需要的單體電池的數(shù)量是鋰離子電池的3倍，重量是鋰離子電池的2倍左右，循環(huán)壽命也比鋰離子電池短。另外鎳氫電池充電過程中發(fā)熱嚴(yán)重，無法長期在高溫調(diào)節(jié)下使用。低溫性能不如鋰離子電池，高

10、倍率放電性能不如鎘鎳電池和鋰離子電池，而價格與鋰離子電池相差無幾。所以鎳氫電池雖然發(fā)展時間較長，但其發(fā)展的速度和潛力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鋰離子電池。9 鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域：鋰離子電池基礎(chǔ)知識用電器電池形態(tài)容量 放電電流正極材料市場份額手機，MP3/MP4數(shù)碼相機液態(tài)/聚合物800mAh100mA鈷酸鋰98以上筆記本電腦，攝像機、玩具液態(tài)/聚合物2Ah1000mA鈷酸鋰98以上電動自行車液態(tài)/聚合物10Ah510A錳酸鋰目前5電動（混動）汽車液態(tài)715Ah200600A錳酸鋰試驗階段飛機、潛艇液態(tài)15Ah500A錳酸鋰試驗階段軍用通信液態(tài)8Ah1000mA錳酸鋰試驗階段星恒動力鋰離子電池10 鋰離子電池

11、的進一步發(fā)展鋰離子電池基礎(chǔ)知識UL1642， 2054IEC61960國家標(biāo)準(zhǔn)企標(biāo)鋰離子電池相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)電芯測試匯總鋰離子電池相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)電芯測試匯總鋰離子電池相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)電池組測試匯總鋰離子電池相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)電池組測試匯總星恒電池質(zhì)量控制及安全性保證質(zhì)量控制質(zhì)量管理認(rèn)證性能測試標(biāo)準(zhǔn)安全保證安全測試標(biāo)準(zhǔn)星恒電池安全測試結(jié)果及安全認(rèn)證幾個層次的質(zhì)量保證材料選擇工藝選擇質(zhì)量管理質(zhì)量控制管理認(rèn)證星恒電池質(zhì)量控制質(zhì)量控制對原材料供應(yīng)商進行嚴(yán)格的考核開發(fā)部，品管部對樣品的檢測小批量試生產(chǎn)，并對其進行跟蹤監(jiān)測管理成品電池檢驗質(zhì)量管理認(rèn)證 2006年3月通過DNV 對于ISO9001-2

12、000的外 部審核，在5月取得相應(yīng)證書幾個層次的質(zhì)量保證材料選擇 選擇合格供應(yīng)商 選擇有相關(guān)認(rèn)證的部品，如UL、CCC、CE等 工藝選擇 全自動設(shè)備與半機械化相結(jié)合 質(zhì)量管理、控制 對原材料供應(yīng)商進行嚴(yán)格的考核 開發(fā)部，品管部對樣品的檢測 小批量試生產(chǎn)，并對其進行跟蹤監(jiān)測管理 成品電池檢驗（FQC檢驗規(guī)范） 管理認(rèn)證 2006年3月通過DNV 對于ISO9001-2000的外部審核New BatteryAbuseCell and Battery TestFlight AcceptanceTest of BatteriesQualification Test of BatteriesPerfor

13、manceEngineering /Certification TestEnvironment Test幾個層次的安全性保證材料的選擇 （正極、負(fù)極、電解液和隔膜）電芯級的安全保證電池組級的安全性保證安全性認(rèn)證鋰電池的安全保證（1）鋰離子電池的核心元素： Li是非常活潑的金屬元素。（2）鋰離子電池的電解液是電導(dǎo)性差，可燃性、氧化還原性溶液（3）大容量對安全性要求更高（4）大功率放電對安全性要求更高 （5）使用條件苛刻對安全性要求更高 1 安全隱患的來源：因此，動力型鋰離子電池的安全性問題比一般的小型的鋰離子電池更突出，要求更高。如何解決這一問題，得從材料、結(jié)構(gòu)、保護電路入手。最后再通過科學(xué)的檢

14、測與權(quán)威的認(rèn)證，如此才能把高效、安全的動力型鋰離子電池，交到客戶的手中。 2 解決安全性問題的途徑材料入手 A 選用安全性更高的錳酸鋰，磷酸鐵鋰等正極材料B 合理的負(fù)極材料C 選用更好溫度特性的隔膜材料D 選用更好溫度特性，更高耐壓，導(dǎo)電更好的電解液配方E 合理的正負(fù)極材料比例結(jié)構(gòu)保證A 采用層疊的極片和隔膜組合方式B 采用更可靠的安全閥結(jié)構(gòu)C 減少電芯串并聯(lián)的級數(shù)可靠的外圍電路A 設(shè)計上保證外圍電路的可靠性，作好失效分析，減少電芯極限條件工作的概率，使電芯工作在合理的條件下B 從工藝和材料上保證電路的可靠性嚴(yán)格的檢測和監(jiān)控鋰電池的安全保證 3 星恒在電池安全性上所做的努力與成效： 正極材料：

15、選用安全性能更好的LiMn2O4 作為正極材料，星恒公司自主研發(fā)的表面改性 的LiMn2O4 材料有效解決了錳酸鋰正極材料過充分子結(jié)構(gòu)塌陷的問題，同時 提高了導(dǎo)電性，使之更適用于動力型的場合。正常充電結(jié)束后，所有的Li都已 經(jīng)從正極嵌入了負(fù)極。即使電池進入了過充狀態(tài)，正極材料已沒有Li可以脫嵌， 因而完全避免了鋰枝晶的形成，保證了安全性。鋰電池的安全保證 負(fù)極材料：星恒電源有限公司選擇了MCMB（中間相碳微球），是球形片層結(jié)構(gòu)且表 面光滑。 MCMB的球形片層結(jié)構(gòu)是種各向同性的結(jié)構(gòu)（即球?qū)ΨQ，對每一個 方向而言都是一致、無差別的）。因此，Li可以從各個方向嵌入和脫嵌，解 決了石墨類材料由于各向

16、異性而引起的石墨片層過度溶脹、塌陷和不能大 電流放電的問題。隔 膜：我們采用國際先進的Celgars2300 PP -PE-PP三層復(fù)合膜。在電池內(nèi)部溫度達(dá) 到130的情況下，PE膜孔閉合，電池內(nèi)部斷路，從而確保電池安全可靠。過量的金屬鋰在負(fù)極還原，形成鋰枝晶過充時，無過量的金屬鋰在負(fù)極還原，不會形成鋰枝晶幾種鋰離子電池正極材料的綜合比較鈷酸鋰錳酸鋰磷酸鐵鋰鎳鈷錳酸鋰耐過充氧化性很強一般弱強過充極限0.5C/6V3C/10V3C/10V0.5C/6V用作動力電池的安全性很不安全安全性能好安全性能好不安全安全容量1Ah1030Ah可達(dá)100Ah/大功率能力好很好一般/價格昂貴低廉低廉一般4 有機

17、電解液： 鋰電池的安全保證耐 高 壓：防止在過充時，電解液被分解成氣體引起爆炸隱患。高導(dǎo)電率：利于大電流放電，減小電流通過時的內(nèi)阻，也即降低了電池的內(nèi)熱， 避免引燃電解液。耐氧化性好：避免被正極材料氧化，生成大量氣體引發(fā)爆炸危險。正極材料負(fù)極材料大10%5 正負(fù)極配比：為避免負(fù)極C材料的孔隙被正 極來的Li+填滿，而正極的Li還未脫嵌完的 情況。我們采用：負(fù)極料比正極料過量10% 的安全保護措施，以杜絕過量的Li在負(fù)極表 面形成鋰枝晶，而造成的安全隱患。傳統(tǒng)的卷繞結(jié)構(gòu)我們的層疊結(jié)構(gòu)在大電流或高溫情況下，隔膜具有熱縮性質(zhì)，120 時隔膜面積縮小10%此時卷繞結(jié)構(gòu)的電池將發(fā)生大面積的正負(fù)極直接短路

18、，進一步惡化工作條件而我們在設(shè)計層疊結(jié)構(gòu)時，已經(jīng)將隔膜面積留10%的余量，即使隔膜發(fā)生熱縮依然不會導(dǎo)致大面積的直接短路。6 結(jié)構(gòu)設(shè)計：鋰電池的安全保證 彈簧片式安全閥 隨著使用時間的延長，彈簧的彈性會變化甚至消失。這樣就無法保持電池在正常狀態(tài)時的密封性能，電池的性能會很快衰減，安全性也無法保證。 金屬薄片刻傷安全結(jié)構(gòu)，它利用內(nèi)壓達(dá)到并超過刻痕部位的最大承受壓力時，將其沖破實現(xiàn)卸壓。但要想刻成能承受一定壓力的傷痕本身就很難，刻傷部位承壓也不均勻，且成本很高。7 安全閥結(jié)構(gòu)鋰電池的安全保證星恒新型安全閥結(jié)構(gòu)試驗條件標(biāo)準(zhǔn)過充以tc=2.5C/3(Ic)對應(yīng)電流和時間進行3C 10V注：C為標(biāo)稱容量，

19、IC為測試電流 不起火，不爆炸短路用.導(dǎo)線連接正負(fù)極 直至溫度下降接近環(huán)境溫度 ，不爆炸、不燃燒，外殼溫度不得高于150 撞擊在電池的正面與側(cè)面，在3ms內(nèi)以最小加速度75g，最大加速度125-175g撞擊電池 不爆炸、不燃燒、排出物5g 熱沖擊1502 ，10分鐘不起火，不爆炸星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果 1. 正常的單體電池： 型號：XH-10AH 額定電壓：3.7V 額定容量：10AH 最大放電電流：20A 重量：約360克 星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果測試項目 測試條件 測試要求 電池數(shù)目測試標(biāo)準(zhǔn)撞擊平面 9.1KG重物，0.61m高度， 直 徑15.8mm 的 鋼棒。 不起火，不爆炸

20、 3個 UL側(cè)面 3個擠壓平面 擠壓力 13KN不起火，不爆炸 3個 UL側(cè)面 3個 高溫150，10min（溫升5 /min)不起火，不爆炸 5個 UL 過充 30A,10V不起火，不爆炸 5個 UL 短路 電阻小于100m 不起火，不爆炸 5個 UL 針刺5mm的鋼釘從垂直于極板的方向貫穿（鋼針停留在電池中） 不起火，不爆炸 5個 企標(biāo)星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果2. 單體電池的安全測試項目及測試方法測試項目 測試要求 測試結(jié)果撞擊平面不起火，不爆炸 通過側(cè)面 通過擠壓平面不起火，不爆炸 通過側(cè)面 通過 高溫不起火，不爆炸 通過 過充不起火，不爆炸 通過 短路不起火，不爆炸 通過 針刺不起

21、火，不爆炸 通過星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果3 星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果平撞 側(cè)撞電池變形但沒有安全問題星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果撞擊后的電池 側(cè)擠 平擠電池變形但沒有安全問題溫度無明顯變化擠壓后的電池星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果電池鼓起但沒有安全問題星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果高溫烘烤后的電池電池鼓起但沒有安全問題星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果過充后的電池電池鼓起但沒有安全問題短路后的電池星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果 鋼針穿透電池電池被穿透但沒有安全問題星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果針刺后的電池單體電池 測試項目 測試條件 測試要求測試標(biāo)準(zhǔn)測試結(jié)果撞擊平面 9.1KG重物，0.61m高度，

22、 直 徑15.8mm 的 鋼棒。 不起火，不爆炸 ULPASS側(cè)面擠壓平面 擠壓力 13KN不起火，不爆炸 ULPASS側(cè)面 高溫150，10min（溫升5 /min)不起火，不爆炸 ULPASS 過充 30A,10V不起火，不爆炸 ULPASS 短路 電阻小于100m 不起火，不爆炸 ULPASS 針刺5mm的鋼釘從垂直于極板的方向貫穿（鋼針停留在電池中）， 不起火，不爆炸 企標(biāo)PASS4 總結(jié)：星恒鋰離子電池的安全測試結(jié)果鋰離子電池及電池組的性能鋰離子電池組充放電的性能電池及電池組保護板的功能電池組均衡管理系統(tǒng)的介紹電池組的性能（一）電池組(10串)的充電（2A恒流）曲線電池組的性能（二）電池組(10串)的放電（5A恒流）曲線鋰離子電池的儲藏和運輸鋰離子電池的儲藏會導(dǎo)致容量下降高電壓會導(dǎo)致正負(fù)極集流金屬板的被腐蝕和電介質(zhì)的分解長時間處于放電狀態(tài)將導(dǎo)致電極保護層分解，容量下降。鋰離子電池的儲藏 1.電池組需長期儲存時，請將電池組充電至半飽和（放完電后，用充電器充電23小時即可）狀態(tài)，放置于干燥，通風(fēng)處，每二個月用充電器充電23小時； 2.電池組和充電器應(yīng)貯存在清潔、干燥、通風(fēng)處，應(yīng)避免與腐蝕性物質(zhì)接觸，遠(yuǎn)離火源及熱源； 3.電池組貯存條件： 環(huán)境溫度-2035；環(huán)境濕度565RH ；鋰離子電池的儲藏和運輸 運輸： 電池組應(yīng)包裝成箱進行運輸，在運輸過程中應(yīng)防止劇烈