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1、锂离子电池理论基础知识培训技术部 2011.5.16培训内容一、锂离子电池简介二、锂离子电池原理三、锂离子电池组成四、锂离子电池分类五、锂离子电池性能指标及基本术语1. 锂离子电池特点与其他二次电池相比，锂离子电池具有以下优： 能量密度高：锂离子电池的能量密度达100Wh/kg、200Wh/L，按体积能量密度计算比镍氢电池大，按质量能量密度计算是镍氢电池的1.5倍。所以锂离子电池贮存同样电能体积小、重量轻，也就是可以小型化、轻量化。 开路电压高：因为采用了非水系有机溶剂，单体电池电压达3.63.8V，其电压是镍氢或镍铬电池的2-3倍。这也是其能量密度高的重要原因之一。 能够大电流充放电：例如采
2、用聚合物电解质的全固体锂离子电池，十分安全。 自放电率小：室温下自放电率小于12%，低于镍氢电池（15%）且是镍镉的二分之一。 环境友好：不含铅、镉、汞等有害物质，不污染环境。 无记忆效应：记忆效应就是电池用电未完时再充电时充电量下降，镍氢电池、特别是镍镉电池的记忆效应较重。 循环寿命长：锂离子电池循环寿命约1200次，是镍镉电池的2倍。一、锂离子电池简介2. 锂离子电池的应用（1）数码产品 （2）电动工具 （3）动力设备 锂离子电池实际上为浓差电池，正负极由两种不同 的锂离子嵌入化合物组成。图1.1给出了以层状 LiCoO2为正极，以层状石墨为负极的锂离子二次电 池的工作原理图。 充电时，锂
3、离子从正极材料LiCoO2中脱出，在电化 学势梯度的驱使下经由电解液向负极迁移，嵌入负 极，同时电子的补偿电荷从外电路到达负极，充电 结束时，负极处于富锂态，正极处于贫锂态。放电 时则相反，锂离子离开负极晶格，嵌入正极重新形 成LiCoO2。二、锂离子电池原理 电极与电池反应如下： 正极：LiCoO2 Li1-xCoO2 + x Li+ + x e- (1-1) 负极：6C + x Li + + x e- LixC6 (1-2) 电池：LiCoO2 + 6C Li1-xCoO2 + LixC6 (1-3)放电充电负极正极图1.1 锂离子电池工作原理图三、锂离子电池组成 锂离子电池主要由正极、负
4、极、隔膜、电解质及外 壳等几部分组成。3.1 锂离子电池正极锂离子电池正极主要由活性物质、粘结剂、导电剂、溶剂、基材等几部分组成。3.1.1 活性物质主要有层状LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2，尖晶石型LiMn2O4，橄榄石型LiFePO4正极材料LiCoO2LiNiO2LiMnO2LiMn2O4LiFePO4密度/g cm-35.14.854.754.313.6理论论比容量 /mAh g-1274274286148170实际实际 比容量 /mAh g-1140190-21020090-120110-165工作电压电压 /V3.63.53.83.83.5安全性能一般差好好很好成本高居中
5、低低低 LiFePO4-磷酸铁锂 优点：不含贵重元素，原料廉价，资源极 大丰富；工作电压适中（3.4V）；平台特性好，电压极（可与稳压电 源媲美）；理论容量大（170mAh/g）；结构稳定，安全性能极佳（O与P以 强共价键牢固结合，使材料很难析氧分 解）；高温性能和热稳定性明显优于已知的 其它正极材料； 循环性能好；充电时体积缩小，与碳负极材料配合 时的体积效应好；与大多数电解液系统兼容性好，储存 性能好；无毒，为真正的绿色材料。 3.1.2 粘结剂及溶剂锂电池中所采用的粘结剂主要对活性物质颗粒间起到粘结作用，将活性物质粘结在集流体上。锂电池用粘结剂具有要求：(1)电化学稳定性；(2)对碳酸酯
6、类溶剂的耐腐蚀性；(3)对特定溶剂的溶解性；(4)对金属的粘结性；(5)柔软性(可卷绕)。一般工业上采用的锂电池正极粘结剂为PVDF。 3.1.3 导电剂由于金属氧化物的不良导电性，其电导率一般都 在 10-110-6 s/cm，其中LiCoO2 为10-2 s/cm，LiNiO2 的 电导率最高为10-1 s/cm，LiMnO2 的电导率最低为10- 6s/cm，这样电子在离子间的导电性就较差，导电剂是 锂离子电池正极中不可缺少的成分，故选择最优的导 电剂含量也是保证电池有较高性能的重要原因。目前常用的导电剂有炭黑、导电石墨、碳纳米管和纳 米碳纤维（VGCF）等。 日常用到的导电剂导电石墨的
7、特点是粒径接近正负极活性物质的粒径，比 导电石墨比表面积适中，导电性良好，它在电池中充 当导电网络的节点，在负极中，它不仅可以提高电极的导 电性，而且可以提高负极的容量。SP-Li的特点是粒径小，比表面积适中，特别是它在电 池中以支链形式存在，对行成导电网络十分有利，缺点是 难以分散。导电剂导电剂 品名粒径（D50 ）比表面积积 (m2 /g)生产产厂家Super P Li（导电碳黑 ）40 nm62TIMCALKS-6（导电石墨）3.4 m20TIMCALKS-15（导电石墨）8.0 m12TIMCAL3.1.4 基材铝箔厚度：30m宽度：视具体生产要求 正极基体：铝箔（约0.020mm厚)
8、正极物质：磷酸铁锂+碳黑+PVDF正极集流体：铝带（约0.2mm厚）3.2.1 活性物质用于锂离子电池的负极材料总体上可以分为碳材料和非碳材料两大类。碳材料主要包括石墨和非石墨两类；非碳材料主要包括锡基材料、硅基材料、氮化物、及其他的一些氧化物等。由于碳材料具有372mAh/g的理论比容量、电极电位(95)、循环寿命长和安全性能良好等优点，所以碳材料被广泛地用作锂离子电池的负极材料。目前普遍采用石墨作为负极材料，我公司也是。目前在GS40中采用的是贝特瑞的AGP-2。3.2 锂离子电池负极2.2.2 粘结剂及溶剂* CMC-羧甲基纤维素钠分子式为C6H7(OH)2OCH2COONa，是天然纤维
9、素经化学改性 后得到的纤维衍生物，是重要的水溶性聚合物之一。CMC为白色 或微黄色粉末、粒状或纤维状固体，无臭、无味、无毒。易溶于 冷热水。在水中溶胀时，可以形成透明的粘稠胶液，在酸碱度方 面表现为中性。* SBR-丁苯乳胶是一种阴离子型聚合物分散体，具有良好的机械稳定性及可操 作性，并具有很高的粘结强度。固 含 量 49.051.0% ，PH 6.07.0 ，粘度 80400mPa s。2.2.3 基材铜箔厚度：15m宽度：视具体生产要求负极基体：铜箔（约0.015mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR负极集流体：紫铜带（约0.05mm厚）隔膜的作用是将电池正负极隔开，防止两极短路。隔膜本身
10、是不导电的，电解质离子可以通过。因此，要求隔膜必须具备以下性能：（1）电绝缘性好；（2）对电解质离子有很好的透过性，充放电电阻低；（3）对电解质有化学稳定性和电化学稳定性；（4）对电解质润湿性好；（5）具有一定的机械强度，厚度尽可能小。3.3 锂电池用隔膜 常用类型单层PE(聚乙烯)，单层PP(聚丙烯)，三层PP/PE/PP单层厚度一般为0.0160.020mm三层厚度一般为0.0200.025mm隔膜的主要性能包括透气率、孔径大小及分布、孔 隙率、力学性能、热性能及自动关闭机理和电导率 等。锂离子电池电解液在电池中承担着正负极之间传输电荷的作用，它对电池的比容量，工作温度范围，循环效率及安全
11、性能等至关重要。作为锂离子电池实用的电解液应具备以下条件：（1）具备良好的离子导电率而不能具有电子导电性；（2）具有一定的电化学稳定窗口，以满足高电位电极材料充放电电压范围内电解质的电化学稳定性和电极反应的单一性；（3）热稳定性和化学稳定性好，电解液在宽的温度范围内（-20 60）不发生冻结，挥发和分解，不与电极材料和隔膜发生反应；（4）安全，无毒，成本低等特点。3.4 锂电池用电解液目前研究的电解质主要有液态有机电解液，聚合物电解质和熔融盐电解质等三类。我公司目前采用的是液态有机电解液。有机电解液由有机溶剂和锂盐组成。常用的溶剂有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）、
12、碳酸二甲酯（DMC）等。常用的电解质锂盐有LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiN(CF2SO2)2等。LiPF6 (六氟磷锂)是目前应用最广泛的电解质锂盐，一般商 业化的电池采用的都是LiPF6。2.5.1 分类 按材质分塑壳、不锈钢壳、铝合金壳 * 按形状分方形、圆形、纽扣形、卡形 2.5.2 构成正极柱负极柱注液孔防爆阀密封圈3.5 锂电池外壳* 按电解质类型分(1) 液态锂离子电池(2) 胶体聚合物锂离子电池(3) 固态聚合物锂离子电池* 按外形分方形、圆形、纽扣形、卡片形、异形四、锂离子电池分类方形锂电池结构图圆形锂电池结构图软包锂电池结构图五、锂离子电池性能指标及
13、基本术 语5.1 锂离子电池性能指标1. 常规性能：容量、电压、内阻2. 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3. 安全性能：过充、短路、针刺、跌落、湿水、低压、振动5.2 锂离子电池基本术语1. 倍率倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，在数值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C(Capacity)表示。例如，对于GS40Ah方形电池0.5C放电电流=20A1C放电电流=40A2. 内阻电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所 受到的阻力。由欧姆电阻与极化电阻两部分组成。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
14、电池的材料、制造工艺、电池结 构等因素的影响。电池内阻是衡量电池性能的一个重 要参数。 4.电压（1）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。（2）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。（3）终止电压指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。5. 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
15、电平台。行业标准1C放电平台为70%以上6. 自放电自放电又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存电量在一定条件下的保持能力。主要受材料，制造工艺。储存条件的影响。7. 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。锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。受正负极材料自身性能，电解液加入量，制造环境，正负极配方，充放电条件等的影响。8. 内压电池的内部气压。是电池在充放电过程中产生的气体所致，主要受电池材料，制造工艺，电池结构等因素影响。THE ENDTHE END THANKS !THANKS !
