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1、锂离子电池,应用技术培训,主讲人：慕忠君,CONTENT,目录,锂离子电池发展概况,锂离子电池分类与特点,锂离子电池成组方法及其可靠性比较,锂离子电池安全性分析,锂离子电池应用常见问题,锂离子电池灭火措施讨论,一 锂离子电池发展概况（一）,锂离子电池俗称“锂电”，是目前在实际应用中综合性能最好的电池体系。锂离子电池的研究始于20世纪80年代末，自20世纪90年代问世并得到了迅猛发展，尤其在小型二次电池市场（如笔记本、手机、电动工具、电动玩具等）中得到了快速推广与应用，到目前位置，已占据了二次电池市场最大份额。,随着步入21世纪，全球气候变暖、环境日益污染及能源的日趋短缺枯竭已成为大家的共识。如
2、何解决环境与资源问题，是对科学技术界的挑战，也是对电化学、材料学等研究的挑战。为了使能量更合理的储存利用以及加快以电代油，发展储能与电动汽车已是当务之急。由此，也促进了作为储能载体与动力来源的蓄电池的快速发展与应用。,一 锂离子电池发展概况（二）,锂离子电池应用范围日益广泛,一 锂离子电池发展概况（三）,动力型锂离子电池,一 锂离子电池发展概况（四）,锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、极耳（或柱）等部分组成。 按照正极材料的不同，锂离子电池主要分为：钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池及镍钴锰三元锂离子电池四大类； 按照包装材料的不同，锂离子电池主要分为：软包装、铝壳
3、包装、钢壳包装； 按照外部形状的不同，锂离子电池主要分为：方形锂离子电池、圆柱形锂离子电池；,二 锂离子电池分类与特点（一）,二 锂离子电池分类与特点（二）,锂离子电池正极材料特点比较,二 锂离子电池分类与特点（三）,锂离子电池特点比较,二 锂离子电池分类与特点（四）,软包装,方形,圆柱,锂离子电池结构,二 锂离子电池分类与特点（五）,锂离子电池结构特点,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（一）,锂离子电池组装方式 并联 串联 串并联组合，分为先串后并和先并后串 并联：电池电压不变，容量累加，可获得高容量； 串联：电池容量不变，电压累加，可获得高电压； 串并联组合：可获得高电压、高容量；,三
4、 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（二）,在高容量动力电池组应用方面，通常采用小容量单体电池进行并联成大容量电池组，而非直接采用单体大容量电池。,为什么？,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（三）,大容量锂离子电池特点,优点 组合方便，仅需考虑串联组合 指标占优势（体积能量比、质量能量比等） 电池连接点、焊接点较少，可靠性较高 接触内阻较少,缺点 工艺复杂，合格率低 内部电流密度、温度的分布均匀性差 部分结构电池，如软包装等，引流能力较差 安全性差,小容量锂离子电池特点,优点 电池比表面积大，散热性能好 内部电流分布均匀 便于工艺控制，一致性较好，单元电池可靠性较高 安全系数高 电池连接点、
5、焊接点较多，可靠性略差,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（四）,缺点 大容量电池需并联应用 串并联组合设计复杂，组合成本高 串并联组合体积大，影响实际的部分应用,大容量电池与小容量电池内部温度与电流密度比较,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（五）,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（六）,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（七）,并联电池的内阻基本一致,并联电池的放电平台基本一致,并联电池容量基本一致,并联电池电压基本一致,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（八）,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（九）,不同组合方式可靠性的数学模型,串联数学模型： 并联数学模型： 先串后并数
6、学模型： 先并后串数学模型： Rs(t)表示系统的可靠度； R=（1，2，3，n)表示第i个单元的可靠度。,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（十）,电池串联可靠性分析,图1 电池串联模型,图1表示一个由n个电池单元组成的串联系统的模型，假设图1中各单元之间是相互独立的，且第i个单元的可靠度为 ，i1，2n。根据串联系统的定义，结合概率理论，我们可得系统的可靠度为:,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（十一）,图2 电联并联模型,图2表示一个由n个电池单元组成的并联系统模型，假设第i个部件的可靠度为 ，i1，2n，且各部件之间是相互独立的。那么可得图2的可靠度为：
7、,电池并联可靠性分析,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（十二）,图3 电池先串后并模型,图3表示一个先由n个电池单元串联，然后再进行m个并联组成的系统模型。对于先串后并系统的可靠度的求法，可先求出各串联分系统的可靠度，再把这些分系统并联起来，求出系统可靠度。那么可得图3的可靠度为：,电池先串后并可靠性分析,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（十三）,图4 电池先串后并模型,图4表示一个先由m个电池单元并联，然后再进行n个分系统并联组成的系统模型。对于先并后串系统的可靠度的求法，可先求出各并联分系统的可靠度，再把这些分系统串联起来，求出系统可靠度。那么可得图4的可靠度为：,电池先并后串可靠
8、性分析,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（十四）,举例：,假设单个电池的可靠度相同且独立，Ri=0.99，100只电池串联，4只电池并联，通过上述可靠度数学模型计算可得： 先并后串可靠度： 先串后并可靠度：,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（十五）,结论：,在锂离子电池不同串并联成组方法中，采用先并后串组合而成的电池组可靠度较高。,三 锂离子电池成组方法及其可靠性比较（十六）,影响单体电池可靠性的有关因素,与各部件的可靠性有关 外壳（r1)、隔膜(r2)、正极片(r3)、负极片(r4)、电解液(r5)等 电池的可靠性=r1r2r3r4r5 &n
9、bsp;与工艺控制（如配料、面密度、毛刺、辊压程度等） 可靠性有关 与环境温湿度控制有关,四 锂离子电池安全性分析（一）,本质安全性又称能量安全性，定量地从能量角度描述了能量载体的安全性能，定义如下： 1、最小能量单元的能量限制为若发生燃烧爆炸不足以产生损害性后果。 2、最小能量单元若发生燃烧爆炸，其能量不会引起连锁反应。 同时具有以上两点的能量载体称其具有本质安全性,本质安全性定义（哈尔滨理工大学）,四 锂离子电池安全性分析（二）,电池是能量的载体，本质上就存在不安全因素； 不同的电化学体系，不同的容量，使用工艺参数，使用环境，使用程度，都会对电池安全性产生较大的影响； 大部分的安全事故均与
10、热失效有关，应注重温度控制的重要性； 所有电池包括一次电池、各类二次电池，均存在安全性问题； 电池的安全性是相对的，我们只能不断地改进提高，永远不可能彻底解决；,四 锂离子电池安全性分析（三）,四 锂离子电池安全性分析（三）,以3.7V20Ah锂离子电池为例: 20Ah * 3.7V = 72Wh = 259.2KJ 1 克TNT 4.20KJ 20Ah锂离子电池的能量 61.7克TNT能量。,20Ah锂离子电池仅存储的电能相当于61.7克TNT炸药的能量。 以上计算还未计电解液燃烧所含能量，及正极活性物质分解的能量。,四 锂离子电池安全性分析（四）,锂离子电池的电解液用量 6mL/AH 1
11、克TNT 4.20KJ 1 Ah电池的电解液能量 178.9KJ 1 Ah电池的电解液能量 42.6克 TNT 20 Ah电池的电解液能量 852克 TNT,注意：电解液本身通常不具备直接爆炸条件,四 锂离子电池安全性分析（五）,造成锂离子电池不安全的原因,电池内部发生短路，造成电池内部热失效； 大电流充电、放电； 过充电、过放电； 电池管理系统故障或管理失效； 电池系统零部件接触不良； 线缆受力磨损、老化； 过高温或过低温环境下使用； 电池受震动、碰撞、冲击等因素影响。,四 锂离子电池安全性分析（六）,电池安全性随使用循环次数增多而下降,随着动力电池使用次数的增多，电池的内阻增大，容量逐渐降
12、低，电池性能会逐渐下降，安全性也随之降低； 循环后的电池，其安全性对热干扰更敏感； 电池的安全性是相对的，一定循环次数之前的电池安全测试是合格的，而经过一定循环次数后电池将呈现出不安全因素。,四 锂离子电池成安全性分析（七）,电池安全性结论,电池容量越高，贮存能量越多，安全性越差 保护措施 外置保护电路，如保护板、电池管理系统等； 内装置PTC（但会增加电池内阻）； 电解液添加阻燃剂（会影响电池性能）； 金属壳体电池设计泄气阀等； 注重热管理的设计 外部保护不能解决电池内部问题 单体电芯设计； 产品质量控制； PACK设计；,五 锂离子电池应用常见问题（一）,锂离子电池如何充放电比较合理,充放
13、电方式：浅充浅放 电池保护板或管理系统上下限保护电压范围较宽，以锰酸锂工作电压2.8V4.2V为例，保护板上下限保护电压为2.5V4.35V； 过充电或长期满充电，一方面易造成电池出现沉锂；另一方面易促使锂枝晶的生长； 过放电或长期满放电，一方面易造成负极石墨晶格发生畸变；另一方面严重时易出现析铜现象； 充放电环境：避免高温或低温环境充放，合理温度045；,半态储存，即标准容量的40%60%；,锂离子电池如何储存,五 锂离子电池应用常见问题（二）,五 锂离子电池应用常见问题（三）,原因分析： 第一种状态：零电荷储存； 负极石墨晶格易塌陷，造成再用容量下降； 若锂电芯安装无0V起充功能的保护板时
14、，当电芯电压降至保护板过放电保护电压以下，电芯自身电压降不能冲开保护板的保护锁定，电池会锁死； 第二种状态：满电荷储存； 锂离子嵌满负极材料的所有空位，长时间保持这种富锂状态，负极易造成锂沉积； 造成负极粘结剂长时间处于膨胀状态容易老化，使其失去粘性和弹性，造成负极集流体脱料，造成电芯容量损失； 第三种状态：一定量电荷储存；,五 锂离子电池应用常见问题（四）,新购买的锂离子电池如何充电,锂离子电池从生产到购买时间较长，3个月以上； 自身容量通常低于正常值，只需正常作充放电循环35次，容量即可恢复；（SEI膜的形成） 锂离子电池从生产到购买时间较短，13个月左右； 可正常使用,切勿被“前3次需要
15、充电12个小时以上”的说法误导。,锂离子电池SEI膜定义与作用,SEI膜定义 在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体但却是Li+ 的优良导体,Li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface) ,简称SEI膜。 SEI膜作用 有效防止有机溶剂共嵌入对电极材料结构造成破坏，从而保护电极材料结构的完整性，同时能够较大提高电极循环性能和使用寿命。,五 锂离子电池应用常见
16、问题（五）,锂离子电池化成的目的,激活电池芯内部活性物质； 促使形成稳定的SEI膜； 消除部分微量杂质元素、水分等。,五 锂离子电池应用常见问题（六）,五 锂离子电池应用常见问题（七）,电池寿命与循环次数是否等同？,五 锂离子电池应用常见问题（八）,C3与I3 是否等同？ 有何区别？,C3 3h率放电至截止电压所释放的容量，即额定容量,I3 3h率放电电流，其数值等于C3/3(A),六 锂离子电池灭火措施讨论（一）,问题提出:,锂离子电池能不能用水灭火,六 锂离子电池灭火措施讨论（二）,每1Ah的锂电池有0.3克锂元素,中国航空协会,六 锂离子电池灭火措施讨论（三）,锂离子电池 灭火实验演示,六 锂离子电池灭火措施讨论（四）,灭火剂或器材：水、黄沙、干粉灭火器、C02灭火器、灭火毯； 测试记录仪器：FLIR公司的A20带测量功能红外线摄像机； 测试电池：软包装的0667168卷绕方形电池。,实验前准备,实验方案,方案一：用水灭火 方案二：用黄沙灭火 方案三：用干粉灭火器灭火 方
