锂离子电池的介绍

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1、锂离子电池 摘要 1 锂离子二次电池的概况 2 锂离子电池的原理和特性 3 锂离子电池的应用与发展前景 4 锂离子电池材料 1 锂离子二次电池的概况 锂是金属中最轻的元素 且标准电极电位为 3 045 V 是金 属元素中电位最负的一个元素 且锂离子可以在TiS2和 MoS2等嵌入化合物中嵌入或脱嵌 锂离子电池 分别用二个 能可逆地嵌入与脱嵌锂离 子的化合物作为正负极构 成的二次电池 人们将这 种靠锂离子在正负极之间 的转移来完成电池充放电 工作的独特机理的锂离子 电池形象地称为 摇椅式电 池 俗称 锂电 1 锂离子二次电池的概况 锂离子电池的历史 1 锂离子二次电池的概况 锂离子电池的优点 1

2、 高能量密度 100 Wh Kg以上 为镍镉电池的三倍 镍氢电池的两倍 2 电压平台高 3 6 V 镍基电池为1 2 V 3 低温下工作优 在 20 60 的温度范围内工作 低温下的工作优于其它电 池 4 低维护性 没有记忆效应 无需定期放电 最理想的保存方式 就是在 40 充电后冷藏保存 可以保存达十年之久 5 低自放电率 约6 月 6 长循环寿命 1000次 100 DOD 1 锂离子二次电池的概况 镉镍 氢镍 锂离子蓄电池性能对比 1 锂离子二次电池的概况 锂离子电池的缺点 1 安全性能问题 需复杂的保护线路 2 放电倍率低 1 C 2 C 3 价格昂贵 1 锂离子二次电池的概况 锂离子

3、电池的种类 根据锂离子电池所用电解质材料不同 锂离子电池可以分为 1 液态锂离子电池 lithium ion battery 简称为LIB 2 聚合物锂离子电池 polymer lithium ion battery 简称为 LIP 相同点 液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离 子都是相同的 电池的工作原理也基本一致 一般正极使用LiCoO2 负极 使用各种碳材料如石墨 同时使用铝 铜做集流体 区别 主要区别在于电解质的不同 锂离子电池使用的是液体电解质 而聚合 物锂离子电池则以聚合物电解质来代替 这种聚合物可以是 干态 的 也可以 是 胶态 的 目前大部分采用聚合物胶体

4、电解质 1 锂离子二次电池的概况 锂离子电池的种类 电解质壳体 包装隔膜集流体 液态锂离子电池液态不锈钢 铝25 PE 铜箔 负极 和铝箔 正极 聚合物锂离子电 池 胶体聚合物铝 PP复合膜没有隔膜 铜箔 负极 和铝箔 正极 1 锂离子二次电池的概况 锂离子电池的种类 按形状分类 圆柱形 方形和扣式 钱币形 按正极材料分类 氧化钴锂型 氧化镍锂型和氧化锰锂型 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的工作原理 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的工作原理 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的工作原理 2 锂离子电池的原理和特性 以LiCoO2体系的锂离子二次电池为例说 明其工作原理 一般

5、 锂离子二次电池是 由正极 电解液 隔膜以及负极构成 充 电时 正极中的锂离子从LiCoO2层状结 构中脱出 Co元素的化合价由 升高 到 正极材料发生氧化反应 同时锂 离子经过电解液迁移到电池的负极 在负 极碳材料的层状结构内和碳化合生成 LiCX 电池在接上负载时 则两电极上 所发生的反应分别为充电时发生反应的逆 反应 隔膜位于正负反应电极之间 隔膜 可以透过离子 但却不允许电子透过 同 时当电池正负极发生一定程度的微短路时 隔膜还起到阻断保护作用 锂离子电池的工作原理 锂离子电池的额定电压为3 6V 电池充满时的电压 称 为终止充电电压 一般为4 2V 锂离子电池终止放电电压 为2 5V

6、 如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2 5V后 还继续使用 则称为过放电 对电池有损害 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池比较骄贵 如果不满足其充电及使用要求 很容易出现爆炸 寿命下降等现象 因为锂离子电池对 温度 过压 过流及过放电很敏感 所以所有的电池内部 均集成了热敏电阻 监控充电温度 及防过压 过流 过 放电保护电路 锂离子电池的工作原理 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的充电过程分 预充电阶段 恒流充电阶段 恒压充电阶段 1C 4 1V一4 2V 锂离子电池的充电原理 2 锂离子电池的原理和特性 预充电阶段 预充电阶段是在电池电 压低于3V时 电池不 能承受大电流的充电

7、这时有必要以小电流对 电池进行浮充 锂离子电池的充电原理 2 锂离子电池的原理和特性 恒流充电阶段 当电池电压达到3V时 电池可以承受大电 流的充电了 这时应 以恒定的大电流充电 以使锂离子快速均 匀转移 这个电流值 越大 对电池的充满 及寿命越有利 锂离子电池的充电原理 2 锂离子电池的原理和特性 恒压充电阶段 当电池电压达到4 2V时 达到了 电池承受电压的极限 这时应以 4 2V的电压恒压充电 这时充电 电流逐渐降低 当充电电流小于 30mA时 电池即充满了 这时 要停止充电 否则 电池因过充 而降低寿命 恒压充电阶段要求 电压控制精度为1 依国家标 准 锂离子电池要能在1C的充电 电流

8、下 可以循环充放电500次 以上 依一般的电池使用三天一 充 这样电池的寿命应在4年 锂离子电池的充电原理 2 锂离子电池的原理和特性 恒压式充电原理图 当没电的电池插在这种充电器上 时 充电器即以最大的电流为电池 充电 如果在锂离子电池最虚弱的 低压时 低于2 5V 就以大电流冲 击 将会严重损害电池的寿命 另外 这类的充电器均为直接 市电220V接入 转换为5V的低压直 流 因为转换效率低下 会产生大 量的热 热量直接叠加在了电池上 使电池温度过高 这对电池有很 大损害 锂离子电池的充电原理 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的充电方法 标准充电 在环境温度 20 5 的条件下 以 0

9、 5C5A 恒 流充电 当电池端电压达到充电限制电压 4 20V 时 改为 恒压充电 直到充电电流小于 10mA 停止充电 快速充电 在环境温度 20 5 的条件下 以 1C5A 恒流充 电 当电池端电压达到充电限制电压 4 2V 时 改为恒压充 电 直到充电电流小于 10mA 停止充电 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的高温性能 电池充电结束后 将电池放入 60 2 的高温箱中 恒温 2h 然后以 1C5A 电流恒流放电至 2 75V 放电 时间不小于 54 分钟 后将电池取出在环境温度 20 5 的条件下搁置 2h 电池外观无变形 无爆裂 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的低温

10、特性 电池充电结束后 将电池放入 10 2 的低温箱中恒 温 2h 后 以 0 5C5A 电流恒流放电至终止电压 2 75V 放电时间不小于 1 8h 后将电池取出在环境温度 20 5 的条件下搁置 2h 电池外观无变形 无爆裂 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的温度特性 放电平台电压有明显下降 但放电容量相差不大 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的循环寿命 在环境温度 20 5 的条件下 以 1C5A 恒流充电 当电 池端电压达到充电限制电压 时 改为恒压充电 直到充 电电流为 10 5mA 停止充 电 搁置 0 5h 1h 然后以 1C5A 电流恒流放电至终止电 压 2 75V

11、 搁置 0 5h 1h 再 进行下一个充放电循环 直 至连续两次放电容量小于 80 的 1C5A 放电容量 认 为寿命终止 循环寿命不小 于 300 次 内阻的增加 导致充电不足 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的储存特性 0 25 40 60 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的安全评估 2 锂离子电池的原理和特性 过 充 试 验 利用恒定电流持续给电芯充电 设定固定电压上限 电芯内部在负极上产生锂离子枝 晶 刺穿隔膜是通过该试验最大的威胁 前提 环境温度 充电电 流 试验过程 时间要求 结果要求 军工 按标准充满电后 20 5 0 2C 5A 直至保护电路起作用 无 不爆炸 不燃

12、烧 轻工标准 QB T25022000 完全放电态的电池 20 5 0 2C 5A 可让保护电路起作用 12 5h 不爆炸 不燃烧 04 科技部 863 电动车蓄电 池 按标准充满电 放 1 小时后 20 5 1C 1 A 电压达到 5 0V 或充电 90min 不爆炸 不燃烧 国家标准 GB T 18287 2000 按标准充满电后 20 5 3C 5 A 上限电压 10V 温度下降峰值 10 后结束实 验 不爆炸 不燃烧 UL 标准 按标准充满电后 20 5 对应电流和时间进行 注 C 为标称容量 I C 为测试 电流 测试时间不得少 于 48h 不爆炸 不燃烧 锂离子电池的安全评估 短

13、路 试 验 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的安全评估 用小电阻的导线直接连接正负极 使电池形成超大电流回路 电池内部快速升温 前提 环境温度 短路方法 外部电阻 时间 结果要求 军标 按标准充满电后的电 池组 20 5 用导线连接正负极 50m 直至保护电路起作 用 不爆炸 不燃烧 可正常充放电 轻工标准 QB T2502 2000 按标准充满电后 20 5 用导线连接正负极 50m 6h 以上 不爆炸 不燃烧 2004 科技部 863 电动车蓄电 池 按标准充满电 1 小时 后 20 5 用导线连接正负极 10m 10min 不漏液 不爆炸 或燃烧 国家标准 GB T 18287 2

14、000 按标准充满电后 20 5 用导线连接正负极 50m 温度下降峰值 10 后结束实验 不爆炸 不燃烧 外部温度不得 高于 150 UL 标准 按标准充满电后 60 2 20 5 用导线连接正负极 0 1 直至温度下降接 近环境温度 不爆炸 不燃 烧 外壳温度不 得高于 150 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的安全评估 针 刺 试 验 用铁针垂直穿透电池 持续形成内部短路 前提 环境温度 钢钉 试验过程 时间要求 结果要求 军工 按标准充满电后 20 5 3mm 沿径向强力刺 穿 无规定 不爆炸 不燃烧 轻工标准 QB T2502 2000 按标准充满电后 20 5 2 5 5mm

15、 中央与电极面 垂直的方 向穿透 放置 6 小 时以 上 不爆炸 不燃烧 2004 科技部 863 电动车蓄电 池 按标准充满电后 20 5 3 8mm 垂直于极板的 方向迅速 贯穿 钢针停留 在其 中 不爆炸 不燃烧 UL 标准 按标准充满电后 20 5 在电池的正面与侧面 在 3ms 内以最小加 速度 75g 最大加速度 125 175g 撞 击电池 不爆炸 不燃烧 排出物 5g 2 锂离子电池的原理和特性 热 冲 击 把电芯放入高温箱中 以标准规定的速度升温 持续的高温导致内部隔膜熔化 形成 大面积内部短路 前提 升温速率 上限温度 时间要求 结果要求 军工 按标准充满电后 电池组在温度

16、 40 与 70 之间循环 4 次 并在各个温 度环境中恒温 2 小时 温度交替移动的时间不大于 1min 然后在 25 下保持 2 小时 不变形 不开裂 不漏液 可正 常充放电 轻工标准 QB T2502 2000 按标准充满电后 5 1 130 60 min 不爆炸 不燃烧 2004 科技部 863 电动车蓄电 池 按标准充满电后 5 2 70 2 20min 不漏液 不变形 不爆炸或燃烧 国家标准 GB T 18287 2000 按标准充满电后 5 2 150 2 30 min 不爆炸 不燃烧 UL 标准 按标准充满电后 5 2 150 2 10min 不爆炸 不燃烧 锂离子电池的安全评估 2 锂离子电池的原理和特性 锂离子电池的结构 正极材料 一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的 嵌锂过渡金属氧化物做正极 如LiCoO2 LiNiO2 LiMn2O4 2 锂离子电池的原理和特性 负极材料 做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入 锂化合物 如各种碳材料包括天然石墨 合成石墨 碳 纤维 中间相小球碳素等和金属氧化物 包括SnO SnO2 锡复合氧化物SnBxPy