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1、锂离子电池,汉格电池 任宏君 2017.8.15,锂离子电池的历史,人类对便携能源的追求:高能量密度,高性能,方便快捷,经济环保,不懈追求高能电池,锂电池,聚合物电解质,安全问题,炭负极,聚合物锂离子,繁荣的锂离子电池,石墨负极锂离子,Li,固体电解质,安全活性材料,二次电池,70年代,1989 年,1993 年,90 年代,应用领域的深化和拓展,锂离子电池应用,锂离子电池种类,按外形:圆柱形、方形、异形 按包装材质:钢壳、铝壳、铝塑软包装 按电解液:液态锂离子、凝胶聚合物、固体聚合物 按构造:层叠式、卷绕式 按性能:高能量、高功率(高倍率) 按应用:便携小器件、电动能源,锂离子电池特点,优点
2、: 能量密度高 单电池电压高 污染小,绿色环保 不足: 安全(在逐步提高) 价格(现在很便宜了),锂离子电池的构造,五要素: 正极材料:含锂的过渡族金属化合物 负极材料:炭材料 隔离膜:PP、PE类 电解液:含锂盐的有机电解液 包装:软包装、钢壳、铝壳,锂离子电池正极材料,种类: Ni、Co、Mn的化合物:钴酸锂,镍锰钴锂,镍钴锂,尖锰 磷酸盐类:磷酸铁锂,磷酸钒锂 结构: 层状结构 三维隧道结构 特点(钴酸锂): 蓝黑色固体粉末 易吸潮 真实密度5g/cc,振实密度2.5g/cc,粒度8um 容量140mAh/g,钴酸锂,钴原子层、氧原子层和锂原子层交替堆叠而成的层状晶体结构 化学式:Lix
3、CoO2 通过高温烧结制造的陶瓷材料,钴酸锂的电性能,可逆容量:140mAh/g 平台:3.9-4.0V 电压范围:3.0-4.3V,钴酸锂的电性能,锂离子电池负极材料,种类: 炭材料家族:人造石墨、天然石墨、硬炭 非炭类:硅炭、锡合金 结构(石墨): 层状结构 特点: 黑色固体粉末 真实密度2.2g/cc,振实密度1.1g/cc,粒度20um 容量340mAh/g,石墨和石墨层间化合物,锂离子存储在石墨层中,以一定的结构形式存在,形成化合物LixC6(0x 1) ,称之为石墨层间化合物(GICs),不同x对应不同状态GICs。,石墨的电性能,几个平台? 平台:0.3-0.05V 可逆容量:3
4、00-360mAh/g 不可逆容量:首次充电过程损失部分,Rev,Irr,SEI,充电后的负极石墨,颜色变化 黑色淡蓝色黄褐色金黄色 观察我们的负极 化学活性 非常活泼,遇空气易氧化,遇水剧烈反应 拆电池时要注意 热稳定性 温度越高越活泼,热稳定性差,锂离子电池电解液,溶剂有机碳酸脂溶剂 环状脂:EC、PC、GBL 链状脂:DEC、DMC、EMC、MPC 盐大阴离子锂盐 LiPF6、LiBF4 特点: 密度:1.2g/cc 电导率:8mScm 粘度:3.5mPas(大约是水的三倍) 要求极低的水分含量(我们在充氮气手套箱中灌注电解液) 控制HF含量,锂离子电池电解液,电解液作用,环状脂的作用:
5、 电解质盐强电离溶剂 高沸点 链状脂的作用: 稀释电解液 部分电离盐的作用 一般使用状态: 2550环状脂7550链状脂1M LiPF6 水分、HF20ppm,电解液对电池的影响,SEI 电解液对SEI层质量起主导作用 内阻 产生一定的内阻 大电流时的浓差极化较大 热稳定性 高温时部分溶剂可能气化,鼓胀电池 盐在高温下分解加速 安全 有氧化燃烧的危险,锂离子电池隔离膜,多孔有机高分子膜(某些聚合物电池例外):PP膜、PE膜、复合膜 特点: 孔隙率:45 孔径:300次(20容量衰减) 环境影响: 3040度表现最佳,50度衰减加速较大 为什么会衰减? 材料 界面,倍率性能,一般使用对倍率的要求
6、约1C 大电流电池要求很高的倍率放电性能,如5C,10C等。,自放电,自放电比较小,常温存储5/月。 正常自放电来源? 自蚀 内部微电流消耗 异常情况? 微短路 杂质腐蚀 材料不稳定,高温存储,测试在某种SOC下,一定温度下存储后的容量保持率、内阻变化和厚度增长。 一般测试温度有60、80、85度 对软包装电池,最重要的是厚度增长不能超标(一般要求10)。,高温高湿,对电池密封性的一种测试。 测试环境湿度约95,温度为65度。 要求容量保持率、内阻变化和厚度变化在规定范围内。,热箱测试,评估电池在环境温度超标情况下电池的安全性能。 UL测试为130度,要求在规定时间内不冒烟不着火不爆炸。 失效
7、原因可能是正极或负极和电解液反应,或隔离膜收缩导致的局部短路。,短路,UL要求满充电池在100mohm电阻导线短路条件下电池不冒烟不着火不爆炸。 测试环境温度影响很大,60度测试比较苛刻。 主要失效原因是短时大电流放电发热导致电池内部反应失控或短路。,穿钉,评估电池非正常内短路条件下的安全特性。 UL要求在2.8mm铁钉刺穿后不冒烟不着火不爆炸。 主要失效原因是局部短路和过热造成的反应失控。,过充,模拟电池使用过程中可能会面临的非正常充电状态下安全性能,要求不冒烟,不着火,不爆炸。 正极是过充失效的主要控制环节。 主要失效原因是正极导致的热失控和化学反应失控。,过放,要求放电到0V不冒烟不起火不爆炸。 我们的电池一般只是鼓气,百分百通过。,振动挤压冲击测试,模拟测试电池抗意外机械破坏时的安全特性。,