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1、1 锂离子电池介绍 广东凯德能源科技有限公司 刘青2012 4 3 2 目录 一 锂离子电池的概论二 锂离子电池的原理三 锂离子电池的生产工艺流程四 锂离子电池的特性五 锂离子电池的应用六 锂离子电池的认证 3 一 锂离子电池概论 1 1电池电池是指通过正负极之间的电化学反应将化学能转化为电能的装置 充电时 正负极活性物质将电能转化为化学能进行储存 放电时 正负极活性物质将化学能转化为电能释放 作为电能供给装置 活性物质 电池充放电时 能进行氧化或还原反应而产生电能和储存化学能的电极材料 4 1 2电池的分类 电池 可充电电池 锂电池 一次性电池 碳性电池和碱性电池 铅酸电池 镍氢电池 锂离子
2、电池 镍镉电池 液态锂离子电池 聚合物锂离子电池 锂铁电池 锂锰电池 锂亚电池 5 1 3锂离子电池的定义 锂离子电池是一种充电电池 它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作 正极采用含锂化合物LiXCoO2 LiXNiO2 LiXMnO2 LiFePO4和三元复合材料LiCoxNiyMnzO2 负极采用层间化合物石墨C 充电时 Li 从正极脱嵌 经过电解质嵌入负极 负极处于富锂状态 放电时 Li 从负极脱嵌 经过电解质嵌入正极 正极处于富锂状态 钴酸锂 锰酸锂 三元材料 磷酸铁锂 石墨 6 美国国家航空航天局 NASA 是最早从事锂原电池研究的机构 锂原电池在1970年初作为一次锂电池便实
3、现了商品化 正极 二氧化锰或氟化碳负极 金属锂但如果将其用于充电电池 经过多次充放电后 负极表面会产生纤维状的锂枝晶 极易刺穿隔膜导致电池短路 会产生严重的安全问题 1 4锂离子电池的发展 7 1990年日本的索尼 Sony 公司率先研制成功锂离子电池 其以嵌锂的过渡金属氧化物为正极活性物质 能让锂离子自由嵌入和脱嵌的石墨作为负极活性物质 一举解决了困扰业界多年的锂离子电池循环和安全问题 1991年 液态锂离子蓄电池实现商品化 1999年 聚合物锂离子电池实现商品化 8 2 1正极构造 锂离子电池正极 集流体 铝箔 粘合剂如 PVDF 导电剂如 C 嵌锂氧化物如 LiCoO2 二 锂离子电池的
4、原理 9 2 2负极构造 锂离子电池负极 粘结剂如 SBR 增稠剂如 CMC 导电剂 石墨 集流体 铜箔 10 2 3锂离子电池正负极反应机理 原子是用化学方法不能分开的最小的构成物质的基本单位 由原子核和电子构成 原子核内有中子和质子 质子带正电 电子带负电 中子不带电 因质子与电子的数目一样多 所以原子为中性 下图为锂原子结构 离子 分为正离子或负离子 由失去或得到电子的原子或原子团构成 如Li SO42 氧化反应 如上图 失去电子为氧化反应 还原反应 如上图 得到电子为还原反应 再看锂原子的电子分布 1S22S1 2S1层是半充满 使该轨道中的电子极易失去而发生氧化反应 所以金属锂的化学
5、性质非常活泼 在自然界中不能以单质存在 同时 锂失去 得到电子的过程中 有电子的转移同时伴随着能量的转移 11 充电过程 一个电源给电池充电 此时正极上的电子e通过外部电路跑到负极上 锂离子Li 从正极 跳进 电解液里 爬过 隔膜上弯弯曲曲的小洞 游泳 到达负极 与早就跑过来的电子结合在一起 电池放电时发生上述反应的逆反应 12 放电过程 放电有恒流放电和恒阻放电 恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻 U I R 恒阻放电的实质是在电池正负极加一个电阻让电子通过 由此可知 只要负极上的电子不能从负极跑到正极 电池就不会放电 电子和Li 都是同时行动的 方向相同但路不同 放
6、电时 电子从负极经过电子导体跑到正极 锂离子Li 从负极 跳进 电解液里 爬过 隔膜上弯弯曲曲的小洞 游泳 到达正极 与早就跑过来的电子结合在一起 13 阳极又名负极 阴极又名正极 放电 充电 14 氧 锂 金属 石墨 正极 负极 放电 充电 15 3 1圆柱形锂离子电池结构图 三圆柱型锂离子电池的生产工艺流程 顶盖 安全阀 正极极耳 隔膜 负极 负极极耳 正极 绝缘垫 外壳 绝缘垫 密封圈 密封圈 负极壳 正极组合盖帽 16 正极铝极耳 白色上面垫 电芯 蓝色收尾胶纸 17 白色底垫 负极铜极耳 焊点 铜箔 负极石墨层 正极 负极 隔膜 正极A面 正极B面 负极A面 正极B面 19 3 2
7、1锂离子电池正极 正极基体 铝箔 约0 016mm厚 正极物质 LiFePO4 乙炔黑 PVDF 正极集流体 正极极耳 铝带 约0 1mm厚 高温胶带 约0 05mm厚 电池放电时从外电路获得电子的电极 此时电极发生还原反应 通常是电位高的电极 锂离子电池正极一般为钴酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂或三元镍钴锰酸锂电极 3 2锂离子电池的主要组成部分 20 3 2 2锂离子电池负极 负极基体 铜箔 约0 010mm厚 负极物质 石墨 乙炔黑 CMC SBR 负极集流体 负极极耳 镍带 约0 1mm厚 电池放电时向外电路输送电子的电极 此时电极发生氧化反应 通常是电位低的电极 锂离子电池一般为石墨电极 高
8、温胶带 约0 05mm厚 21 3 2 3锂离子电池隔膜 材质 单层PE 聚乙烯 或者三层复合PP 聚丙烯 PE PP厚度 单层一般为0 016 0 020mm三层一般为0 020 0 025mm 隔膜 separationfilm 放置于正负两极之间 作为隔离电极的装置 以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路 隔膜能让离子通过 但不能让电子通过 隔膜要求 离子透过度大 机械强度适当 本身为绝缘体 不与电解液及正负电极发生反应 22 3 2 4锂离子电池电解液 1 性质 无色透明液体 具有较强吸湿性 2 应用 主要用于可充电锂离子电池的电解液 只能在干燥环境下使用操作 如环境水分小
9、于20ppm的手套箱内 3 规格 溶剂组成DMC EMC EC 1 1 1 重量比 LiPF6浓度1mol L4 质量指标 密度 25 g cm31 23 0 03水分 卡尔费休法 20ppm游离酸 以HF计 50ppm电导率 25 10 4 0 5ms cm 23 正极配料 来料检验 负极配料 正极涂布及辊压 负极涂布及辊压 正极制片 负极制片 隔膜 卷绕 入壳 烘烤 短路检验 注液 点焊盖帽 封口 化成 分容 外包装 出厂 出厂检验 负极点底 滚槽 烘烤 3 3锂离子电池的生产工艺流程简图 24 3 4锂离子电池生产用的主要设备 1 真空行星搅拌机用途 将各种电池材料均匀的搅拌成浆状 25
10、 2 电极涂布机 用途 搅拌后的浆料均匀涂覆在金属箔片上 涂布的极片厚度精确到3微米以下 26 3 辊压机用途 涂布后的极片需进行辊压 提高电池的能量密度 27 4 自动分条机 28 5 全自动超声焊接贴胶机 29 6 卷绕机 将制造好的极片卷绕成电池 半自动卷绕机 全自动卷绕机 卷芯 30 7 真空干燥箱 全自动真空烤箱 31 8 手套箱 在低湿度环境下 将电解液注入钢壳电池中 保证电解液充分浸润卷芯 32 9 注液机 保证将电解液高精度的注入钢壳中 自动转盘真空注液机 33 10 化成分容设备 化成为将做好的电池充电激活 产生电压 而分容为测试电池的容量并分档 34 4 1圆柱锂离子电池的
11、命名 IEC61960规定 圆柱形和方形电池的规则如下 圆柱形电池 3个字母后连5个数字 3个字母 I表示有内置的锂离子 L表示锂金属或锂合金电极 第二个字母表示正极材料 C表示钴 N表示镍 M表示锰 V表示钒 第三个字母为R表示圆柱形 5个数字 前2个数字表示直径 后3个数字表示高度 单位都为mm 如 ICR18650就是直径为18mm 高度为65mm的通用的18650圆柱形电池 四锂离子电池的特性 35 4 2方形锂离子电池的命名 方形电池 3个字母后跟6个数字 3个字母 前两个字母的意义和圆柱形一样 后一个字母为P表示为方形 6个数字 前2个数字表示厚度 中间2个表示宽度 后面2个表示高
12、度 长度 单位为mm ICP053353就是厚度为5mm 宽度为33mm 高度 长度 为53mm的方形电池 36 4 3锂离子电池和其它二次电池性能比较 4 4锂离子电池的基本电性能参数 1 开路电压 是指电池没有负荷时正 负极两端之间的电压 一般情况下 Li ion电池充满电后开路电压为4 15 4 2V左右 通过对电池开路电压的检测 可以判断电池的荷电状态 工作电压又称闭路电压 是指电池有负荷时正 负极两端的电压 因电池在放电工作状态下 当电流流过电池内部时 需克服电池的内部结构所造成的阻力 故工作电压总是低于开路电压 2 电池容量 它表示在一定条件下 放电率 温度 终止电压等 电池能放出
13、的电量 即电池的容量 常用mAh表示 3 放电终止电压 电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为放电终止电压 如正极为钴酸锂 锰酸锂和三元材料或其混合物时 放电终止电压为3 0V 正极为磷酸铁锂时 放电终止电压为2 0V 38 4 充电终止电压 电压上升到不宜再继续充电的最高工作电压称为充电终止电压 如正极为钴酸锂 锰酸锂和三元材料或其混合物时 充电终止电压为4 2V 正极为磷酸铁锂时 充电终止电压为3 65V 5 充放电倍率 Charge Rate Discharge Rate C 用来表示电池充放电时电流大小的比率 即倍率 如1500mAh的电池 0 2C表示用300mA的电流充放电 1
14、500mAh的0 2倍率 1C表示用1500mA的电流充放电 1500mAh的1倍率 6 内阻 电池正 负极两端之间的电阻叫内阻 由欧姆内阻与极化内阻两部分组成 电池的内阻越小 电池的性能越好 电池内阻值大 会导致电池放电工作电压降低 放电时间缩短 内阻大小主要受电池的材料 制造工艺 电池结构等因素的影响 是衡量电池性能的一个重要参数 注 一般以半电态内阻为标准 测量电池的内阻需用专用内阻测试仪 7 自放电率 又称荷电保持能力 是指电池在开路状态下 电池所储存的电量在一定条件下的保持能力 主要受电池的制造工艺 材料 储存条件等因素的影响 是衡量电池性能的重要参数 注 在GB规定Li ion满电
15、后在20 2 条件下开路搁置28天 可允许电池有15 的容量损失 8 循环寿命 电池在一定的条件下进行全充全放电循环 初始容量记为100 当连续三次的放电容量降到初始容量的80 时 所经历的循环次数为电池的循环寿命 3 7V系列的锂离子电池的循环次数在500次以上 3 2V系列的锂离子电池的循环次数在1000次以上 40 五锂离子电池的应用 5 1便携式电子产品 MP3 MP4 MP5产品简介 便携式音乐播放器 视频播放器等 笔记本产品简介 手提电脑 掌上电脑 一体式平板电脑等 41 手机产品简介 手机等便携式设备 数码相机产品简介 便携式数码相机 单反相机 卡式数码相机等产品 42 43 5
16、 2电动交通工具 电动车产品简介 电动自行车 电动摩托 电动助力车 电动汽车等代步动力型产品 电动大巴产品简介 新型混合动力大巴车以及其它利用混合动力的各种车型 纯电动大巴 44 汽车产品简介 轿车 小客车 商务车 面包车 吉普车 跑车等汽车型号 包括纯电动型和混合动力型 45 5 3电动玩具及工具 电动玩具产品简介 主要为电力驱动类飞机 船舶 车辆等模型及各种公仔等 46 风能 太阳能储能电源产品简介 各类太阳能电池 风能储能电池等 电动工具产品简介 各类电动工具 如 电钻 碾磨器 电动螺母 电动熨斗等 手电筒产品简介 各类充能类手电筒 强光灯 照明灯等等 47 5 4二次充电及储能领域 舰船动力产品简介 大型舰船及飞机动力电源 如 战船 大型邮轮 货轮及客机等 48 航天动力产品简介 各种航天载具所用的动力电源系统 如 航天飞机 卫星 火箭 导弹等作启动和短途旅程之用 装甲动力产品简介 军用装甲 民用大型挖掘器械所用动力电源 如 坦克 装甲车 军用大型装甲车辆 民用大型挖掘器械 大型吊车等 六锂离子电池的认证 UL认证UL是英文保险商试验所 UnderwriterLaborator
