鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與應(yīng)用領(lǐng)域

鋰離子電池(diànchí)基礎(chǔ)知識(二）時間(shíjiān)：2010-9-71第一頁，共36頁。教程(jiàochéng)大綱1、電池分類（10min)2、鋰離子電池之電化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng)機(jī)理(20min)3、鋰離子電池之應(yīng)用領(lǐng)域（5min)4、鋰離子電池之結(jié)構(gòu)(20min)5、液態(tài)鋰離子電池之工藝流程(30min)6、液態(tài)鋰離子電池之生產(chǎn)設(shè)備(15min)7、鋰離子電池之性能指標(biāo)(20min)8、鋰離子電池質(zhì)量認(rèn)證（10min)2第二頁，共36頁。1、電池(diànchí)種類劃分一次電池小型(xiǎoxíng)二次電池：鎳鎘、鎳氫、鋰離子鉛酸電池動力電池燃料電池太陽能電池-地面光伏發(fā)電其他新型電池3第三頁，共36頁。什么(shénme)叫鋰離子電池？鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物L(fēng)iXCoO2、LiXNiO2或LiXMnO2負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。電解質(zhì)為溶解有鋰鹽LiPF6、LiAsF6等有機(jī)溶液。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，被形象的稱為“搖椅(yáoyǐ)電池”。充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。放電時則相反。4第四頁，共36頁。2、鋰離子電池電化學(xué)反應(yīng)(huàxuéfǎnyìng)機(jī)理正極(zhèngjí)反應(yīng)：LiCoO2====Li1-xCoO2+xLi++xe-

負(fù)極反應(yīng)：C+xLi++xe-===CLix

電池總反應(yīng)：LiCoO2+C====Li1-xCoO2+CLix

放電時發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。5第五頁，共36頁。鋰離子電池(diànchí)特點高能量密度高工作電壓長循環(huán)(xúnhuán)壽命電化學(xué)特性穩(wěn)定荷電保持能力強(qiáng)無污染無記憶效應(yīng)

6第六頁，共36頁。3、應(yīng)用領(lǐng)域Li-ionBattery7第七頁，共36頁。4、鋰離子電池(diànchí)結(jié)構(gòu)正極活性物質(zhì)（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2)導(dǎo)電劑、溶劑、粘合劑、基體(jītǐ)負(fù)極活性物質(zhì)（石墨、MCMB)粘合劑、溶劑、基體(jītǐ)隔膜（PP+PE）電解液（LiPF6+DMCECEMC)外殼五金件（鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片）8第八頁，共36頁。方（角）形鋰離子電池(diànchí)結(jié)構(gòu)圖9第九頁，共36頁。圓柱形鋰離子電池(diànchí)結(jié)構(gòu)圖密封圈限流開關(guān)(kāiguān)隔膜(gémó)絕緣墊10第十頁，共36頁。軟包裝鋰離子電池(diànchí)結(jié)構(gòu)圖11第十一頁，共36頁。鋰離子電池結(jié)構(gòu)(jiégòu)——正極正極(zhèngjí)基體：鋁箔（約0.020mm厚)正極(zhèngjí)物質(zhì)：鈷酸鋰+碳黑+PVDF正極集流體：鋁帶（約0.1mm厚）12第十二頁，共36頁。鋰離子電池(diànchí)結(jié)構(gòu)——負(fù)極負(fù)極(fùjí)基體：銅箔（約0.015mm厚)負(fù)極物質(zhì)(wùzhì)：石墨+CMC+SBR負(fù)極集流體：鎳帶（約0.07mm厚）13第十三頁，共36頁。鋰離子電池結(jié)構(gòu)(jiégòu)——隔膜材質(zhì)：單層PE（聚乙烯）或者(huòzhě)三層復(fù)合PP（聚丙烯）+PE+PP14第十四頁，共36頁。鋰離子電池(diànchí)結(jié)構(gòu)——電解液性質(zhì)：無色透明液體，具有較強(qiáng)吸濕性。應(yīng)用：主要用于可充電鋰離子電池的電解液，只能在干燥環(huán)境下使用操作（如環(huán)境水分(shuǐfèn)小于20ppm的手套箱內(nèi)）。規(guī)格：溶劑組成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6濃度1mol/l質(zhì)量指標(biāo)：密度（25℃）g/cm3水分(shuǐfèn)（卡爾費(fèi)休法）≤20ppm游離酸（以HF計）≤50ppm電導(dǎo)率（25℃）10.4±0.5ms／cm15第十五頁，共36頁。5、液態(tài)鋰離子電池(diànchí)生產(chǎn)工藝流程配料(pèiliào)卷繞注液檢測(jiǎncè)包裝拉漿制片化成激光焊裁片16第十六頁，共36頁。配料(pèiliào)工藝流程正極干粉(gānfěn)處理正極(zhèngjí)篩漿料正極混干粉正極真空攪拌負(fù)極干粉處理負(fù)極真空攪拌負(fù)極篩粉負(fù)極攪拌負(fù)極篩漿料正極拉漿負(fù)極拉漿正極負(fù)極17第十七頁，共36頁。拉漿工藝流程(ɡōnɡyìliúchénɡ)送帶上漿正、負(fù)極(fùjí)漿料正、負(fù)極(fùjí)裁片烘烤收帶18第十八頁，共36頁。裁片工藝流程(ɡōnɡyìliúchénɡ)正極(zhèngjí)裁大片正極(zhèngjí)劃線刮粉正極片輥切負(fù)極裁大片負(fù)極稱重分檔負(fù)極劃線刮粉負(fù)極片輥切正極稱重分檔負(fù)極吸塵正極制片負(fù)極制片19第十九頁，共36頁。制片工藝流程(ɡōnɡyìliúchénɡ)正極(zhèngjí)真空烘烤正極(zhèngjí)吸塵正極片輥壓負(fù)極真空烘烤負(fù)極吸塵負(fù)極片輥壓負(fù)極貼膠紙正極焊極耳負(fù)極焊極耳卷繞卷繞正極貼膠紙正極吸塵負(fù)極沖壓極耳20第二十頁，共36頁。卷繞工藝流程(ɡōnɡyìliúchénɡ)卷繞貼底部膠紙壓芯入殼正、負(fù)極(fùjí)片配片隔膜(gémó)隔膜裁剪測短路套絕緣片并固定負(fù)、正極極耳點焊離心入殼測短路壓蓋帽激光焊底部超聲焊鋁鎳復(fù)合帶21第二十一頁，共36頁。激光(jīguāng)焊工藝流程上夾具(jiājù)稱重(chēnɡzhònɡ)分級激光焊接注液全檢內(nèi)阻全檢氣密性22第二十二頁，共36頁。注液工藝流程(ɡōnɡyìliúchénɡ)真空(zhēnkōng)烘烤稱重(chēnɡzhònɡ)注液化成貼膠紙?zhí)啄z圈擦洗23第二十三頁，共36頁。化成(huàchénɡ)工藝流程高溫(gāowēn)烘烤分容化成(huàchénɡ)測電壓、貼不干膠，半成品入庫清洗壓鋼珠高溫貯存自檢電壓鋁鎳復(fù)合片點焊24第二十四頁，共36頁。檢測包裝(bāozhuāng)工藝流程充電(chōngdiàn)反充電(chōngdiàn)放電客戶裝盒、包裝全檢電壓清洗全檢內(nèi)阻全檢尺寸25第二十五頁，共36頁。6、液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)(shēngchǎn)所用設(shè)備真空攪拌機(jī)拉漿機(jī)（涂布機(jī)）裁切機(jī)輥壓機(jī)卷繞機(jī)激光(jīguāng)焊機(jī)真空注液機(jī)化成檢測柜26第二十六頁，共36頁。7、液態(tài)(yètài)鋰離子電池性能常規(guī)性能(xìngnéng)：容量電壓內(nèi)阻可靠性性能(xìngnéng)：循環(huán)壽命放電平臺自放電貯存性能(xìngnéng)高低溫性能(xìngnéng)安全性能(xìngnéng)過充短路針刺跌落濕水低壓振動27第二十七頁，共36頁。容量(róngliàng)電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為(chēnɡwéi)電池的容量，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）。電池的容量可以分為理論容量、額定容量、實際容量。理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計算而得的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，單位為Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。實際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等于放電電流與放電時間的乘積，單位為

Ah，其值小于理論容量。額定容量也叫保證容量，是按國家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，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。28第二十八頁，共36頁。電壓(diànyā)開路電壓電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓。電池的開路電壓等于電池的正極的還原電極電勢與負(fù)極電極電勢之差。工作電壓工作電壓指電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓，又稱放電電壓。在電池放電初始(chūshǐ)的工作電壓稱為初始(chūshǐ)電壓。電池在接通負(fù)載后，由于歐姆電阻和極化過電位的存在，電池的工作電壓低于開路電壓。29第二十九頁，共36頁。內(nèi)阻(nèizǔ)電流通過電池內(nèi)部時受到阻力，使電池的電壓降低，此阻力稱為電池的內(nèi)阻(nèizǔ)。電池的內(nèi)阻(nèizǔ)不是常數(shù)，在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。電池內(nèi)阻(nèizǔ)包括歐姆內(nèi)阻(nèizǔ)和極化內(nèi)阻(nèizǔ)，極化內(nèi)阻(nèizǔ)又包括電化學(xué)極化與濃差極化。內(nèi)阻(nèizǔ)的存在，使電池放電時的端電壓低于電池電動勢和開路電壓，充電時端電壓高于電動勢和開路電壓。歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關(guān)系，常隨電流密度的對數(shù)增大而線性增大。30第三十頁，共36頁。循環(huán)(xúnhuán)壽命電池(diànchí)在完全充電后完全放電，循環(huán)進(jìn)行，直到容量衰減為初始容量的75%，此時循環(huán)次數(shù)即為該電池(diànchí)之循環(huán)壽命循環(huán)壽命與電池(diànchí)充放電條件有關(guān)鋰離子電池(diànchí)室溫下1C充放電循環(huán)壽命可達(dá)300-500次（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），最高可達(dá)800-1000次。31第三十一頁，共36頁。放電(fàngdiàn)平臺10，C1/C0稱為該電池之放電(fàngdiàn)平臺行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1C放電(fàngdiàn)平臺為70%以上，我們現(xiàn)在可以作到83%-85%放電(fàngdiàn)平臺對手機(jī)電池使用效果影響最大，關(guān)系到手機(jī)通話的聲音清晰度32第三十二頁，共36頁。自放電電池完全充電后，放置一個月。然后用1C放電至3.0V，其容量記為C2；電池初始容量記為C0；1-C2/C0即為該電池之月自放電率行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池月自放電率小于12%，我們可以做到6%-8%電池自放電與電池的放置性能(xìngnéng)有關(guān)，其大小和電池內(nèi)阻結(jié)構(gòu)和材料性能(xìngnéng)有關(guān)33第三十三頁，共36頁。記憶效應(yīng)記憶效應(yīng)是針對鎳鎘電池而言的，由于傳統(tǒng)工藝中負(fù)極為燒結(jié)式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在它們被完全放電之前就重新充電，鎘晶粒容易聚集成塊而使電池放電時形成次級放電平臺。電池會儲存這一放電平臺并在下次循環(huán)中將其作為(zuòwéi)放電的終點，盡管電池本身的容量可以使電池放電到更低的平臺上。在以后的放電過程中電池將只記得這一低容量。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應(yīng)，使電池的容量變得更低。