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1、锂离子电池理论与工艺,1,大纲,电池分类 锂离子电池之电化学反应机理 锂离子电池之应用领域 锂离子电池之结构 液态锂离子电池之工艺流程 液态锂离子电池之生产设备 锂离子电池之性能指标 锂离子电池质量认证,2,电池种类划分,一次电池 小型二次电池：镍镉、镍氢、锂离子 铅酸电池 动力电池 燃料电池 太阳能电池-地面光伏发电 其他新型电池,3,什么叫锂离子电池？,锂离子电池是指Li+ 嵌入化合物为正、负极的二次电池。 正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2 或LiXMnO2 负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。 电解质为溶解有锂盐LiPF6 、 LiAsF6等有机溶液。 在充放电过程中，Li
2、+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象的称为“摇椅电池”。 充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态。 放电时则相反。,4,锂离子电池电化学反应机理,正极反应：LiCoO2= Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 负极反应： C + xLi+ + xe- = CLix 电池总反应： LiCoO2 + C = Li1-xCoO2 + CLix 放电时发生上述反应的逆反应。,5,锂离子电池特点,高能量密度 高工作电压 长循环寿命 电化学特性稳定 荷电保持能力强 无污染 无记忆效应,6,应用领域,Li-ion Battery,7,锂离子电池结构,正极 活性物质（Li
3、CoO2LiMnO2LiNixCo1-xO2) 导电剂、溶剂、粘合剂、基体 负极 活性物质（石墨、MCMB) 粘合剂、溶剂、基体 隔膜（PP+PE） 电解液（LiPF6 + DMC EC EMC) 外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）,8,方（角）形锂离子电池结构图,9,圆柱形锂离子电池结构图,密封圈,限流开关,隔膜,绝缘垫,10,软包装锂离子电池结构图,11,锂离子电池结构正极,正极基体：铝箔（约0.020mm厚),正极物质：钴酸锂+碳黑+PVDF,正极集流体：铝带（约0.1mm厚）,12,锂离子电池结构负极,负极基体：铜箔（约0.015mm厚),负极物质：石墨+CMC+SBR,负极集流体
4、：镍带（约0.07mm厚）,13,锂离子电池结构隔膜,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0.0160.020mm 三层一般为0.0200.025mm,14,锂离子电池结构电解液,性质： 无色透明液体，具有较强吸湿性。 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（如环境水分小于20ppm的手套箱内）。 规格： 溶剂组成 DMC:EMC:EC =1:1:1 （重量比） LiPF6浓度 1mol/l 质量指标： 密度（25）g/cm3 1.230.03 水分（卡尔费休法） 20ppm 游离酸（以HF计） 50ppm 电导率（2
5、5） 10.40.5 mscm,15,液态锂离子电池生产工艺流程,配料,卷绕,注液,检测包装,拉浆,制片,化成,激光焊,裁片,16,配料工艺流程,正极干粉处理,正极筛浆料,正极混干粉,正极真空搅拌,负极干粉处理,负极真空搅拌,负极筛粉,负极搅拌,负极筛浆料,正极拉浆,负极拉浆,正极,负极,17,拉浆工艺流程,送 带,上 浆,正、负极浆料,正、负极裁片,烘烤,收 带,18,裁片工艺流程,正极裁大片,正极划线刮粉,正极片辊切,负极裁大片,负极称重分档,负极划线刮粉,负极片辊切,正极称重分档,负极吸尘,正极制片,负极制片,19,制片工艺流程,正极真空烘烤,正极吸尘,正极片辊压,负极真空烘烤,负极吸尘
6、,负极片辊压,负极贴胶纸,正极焊极耳,负极焊极耳,卷绕,卷绕,正极贴胶纸,正极吸尘,负极冲压极耳,20,卷绕工艺流程,卷绕,贴底部胶纸,压芯,入壳,正、负极片,配片,隔膜,隔膜裁剪,套绝缘片并固定,负、正极极耳点焊,离心入壳,压盖帽,激光焊,底部超声焊 铝镍复合带,21,激光焊工艺流程,上夹具,称重分级,激光焊接,注液,22,注液工艺流程,真空烘烤,称重,注液,化成,贴胶纸,套胶圈,擦洗,23,化成工艺流程,高温烘烤,分容,化成,测电压、贴不干胶，半成品入库,清洗,压钢珠,高温贮存,铝镍复合片点焊,24,检测包装工艺流程,充电,反充电,放电,客户,装盒、包装,清洗,25,液态锂离子电池生产所用
7、设备,真空搅拌机 拉浆机（涂布机） 裁切机 辊压机 卷绕机 激光焊机 真空注液机 化成检测柜,26,液态锂离子电池性能,常规性能： 容量 电压 内阻 可靠性性能： 循环寿命 放电平台 自放电 贮存性能 高低温性能 安全性能 过充 短路 针刺 跌落 湿水 低压 振动,27,容量,在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。 电池容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。 理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为A
8、h/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。 实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。 额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。,28,电压,开路电压 电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差。 工作电压 工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。 电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。,29,内阻,电流
9、通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。 电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。 欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。,30,循环寿命,电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命 循环寿命与电池充放电条件有关 锂离子电池室温下1
10、C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。,31,放电平台,锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平台 行业标准1C放电平台为70%以上，我们现在可以作到83%-85% 放电平台对手机电池使用效果影响最大，关系到手机通话的声音清晰度,32,自放电,电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率 行业标准锂离子电池月自放电率小于12%，我们可以做到6%-8% 电池自放电与电池的放置性能有关，其大小和电池内阻
11、结构和材料性能有关,33,记忆效应,记忆效应是针对镍镉电池而言的，由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。 消除记忆效应的方法，一是采用小电流深度放电（如用0.1C放至0V）；一是采用大电流充放电（如1C）几次。 镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应,34,锂离子电池质量认证,35,总结,电池是个比较复杂的电化学体系，涉及到电化学、材料、机械、物理等学科 锂离子电池生产流程较长，每个质量控制点都非常重要 大家可以根据自己工作性质有针对性的进行研究、讨论,36,其他信息,37,
