锂电池基本原理-结构及验证测试
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本文由jqsxyc贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机 查看。 锂离子电池基础 曹建华 深圳邦凯电子有限公司 1 深圳邦凯电子有限公司简介 深圳邦凯电子有限公司成立1999 年,是中国锂电行 业的知名企业, 目前员工3000多人,日产锂离子电 池30万颗,拥有铝壳电池,聚合物 电 池,圆柱电池三大系列产品,可 满足数码产品,电动工具,电动玩 具,轻型电动车等多个 领域的动力 需要,可为客户提供完整的移动电 源解决方案.邦凯电子愿真心为您 服务 . 2 目录 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 电池分类 锂电池的发展简史 锂离子电池工作原理 锂离子电池特性 分类及应用 领域 锂离子电池的基本构成 锂离子电池的生产工艺流程 锂离子电池的性能及测试 安全保护技术 未来发展趋势 3 1. 电池种类 一次电池 小型二次电池:镍镉,镍氢,锂离子 铅酸电池 燃料电池 太阳能电池-地 面光伏发电 其他新型电池 4 2. 锂电池发展简史 1. 锂原电池 1970年——锂原电池实现商品化,金属锂作负极材料, 二氧化锰和氟化炭等原料 作正极活性物质. 2. 液态锂离子电池 1990年——日本Sony公司率先研制成功锂离子电池,它 以含锂氧化物作正极,以 层状碳嵌锂取代传统锂原电池 的金属锂或锂合金作负极,1992年商业化. 3. 聚合物锂离子电池 1999年——聚合物锂离子电池实现商品化.这种电池的 电解质是以固态或胶体的 形式存在,有更好的安全性. 5 3. 锂离子电池工作原理 锂离子电池是指靠Li+ 在正负极之间嵌入,脱出形成 的二次电池. 正极采用含锂 氧化合物LixMO2(M=Co/Ni/Mn) . 负极采用锂-碳层间化合物LixC6. 电解质为溶解有锂 盐LiPF6 或LiAsF6等的有机混合 物. 在充放电过程中,Li+ 在正负两个电极之间往返 嵌入 和脱嵌,被形象的称为"摇椅电池". 6 锂离子电池电工作原理-反应机理 正极反应:LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe负极反应:C + xLi+ + xe- → Li xC 总反应:LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + LixC 7 4. 锂离子电池特性 充电电 池类型 锂离子 电池 氢镍 镉镍 电压 (V) 3.6 1.2 1.2 能量密度 (Wh /L) 600 250 240 循环 月自放 安全 记忆 有无 寿命 电率(%) 性 效应 污染 50020 00 500 500 <10 >20 >20 稍差 好 好 无 有 有 无 无 有 8 5. 锂离子电池的分类及应用 按壳体和电解质分类: (1) (2) (3) (4) (5) 液态铝壳锂离子电池 液态钢壳锂离子电池 液态软包装锂离子电池 胶体聚合物
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21 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 1~ 1.3mol/l 密度(25℃) g/cm3 1.23±0.03 水分(卡尔费休法) ≤20ppm 游离酸(以HF计) ≤50ppm 电导率(25 ℃) 10.4±0.5 ms/cm 质量指标: 22 电解液的发展 电解质: LiPF6——高温性能差(80℃) LiBF4——高温性能好 LiBOB——高温性 能特好(300℃) 溶剂: EC(40℃)/DEC/DMC/EMC/PC 发展趋势: 应用于特殊环境的电解 液开发 大电流,耐高温,耐低温,抗过充,阻燃型 23 锂离子电池结构——隔膜 !!!未完全国产化 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0.01 6~0.020mm 三层一般为0.020~0.025mm 24 7. 锂离子电池生产工艺流程 配料 涂布 制片 卷绕 封口 预充 注液 焊盖板 检测 包装 25 工序流程关键控制点 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 工序 配料 涂布 制片 卷绕 焊接 注液 预充 封口 检 测 品质控制点 搅拌速度,真空度,浆料粘度 涂布速度,厚度一致性,粘结度 压实厚度 ,极片整齐度,粉尘,极耳焊 接 卷绕整齐度,粉尘控制,短路测试 气密性测试,短路测试 注液量,注液速度,环境湿度,温度 预充电流,环境湿度,温度 漏液 容量,内阻,电压, 尺寸,外观 26 8. 锂离子电池性能及测试 锂离子电池性能指标项 电性能 容量/ 放电平台/ 电压/ 内阻/倍率放 电性能 高温性能/ 低温性能/ 循环寿命/ 荷 电保持及恢复能力/高温高湿/ 高温 贮存性能/ 跌落/ 振动撞击/ 温度冲 击/ 低气压性能 过充/ 短路/ 热箱/ 过放电/ 针刺/ 挤 压/ 重物冲击/ 焚烧 27 可靠性性能 安全性能 (1) 电性能 容量 电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量, 单位为(安培×小时), 简称安时(Ah)或毫安时(mAh). 标称容量,实际容量,比容量(mAh/g, mAh/L). 放电平台
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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. 行业标准放电平台为70%以上,平台放电时间>42min . 放电倍率 电池容量除以1小时的电流称为1C,大倍率放电时容量一般 会比小倍率放电低. 注:容量,平台,倍率性能可采用电池测试柜进行检测. 28 放电曲线图 The Curve of Discharge Characteristics 4.2 4 Voltage(v) 3.8 3.6 3.4 3.2 3 0 200 400 600 800 Capacity(mAh) 10 00 1200 1400 305566 503759 553450 放电平台对数码产品使用效果影响很大,当数码产品 要求最低工作电压为3.6V时 ,低于平台电压的部分容量 就不能发挥作用. 29 倍率放电比较曲线 BK 18650S20-1500mAh Discharge Rate Characteristrics 4.15 3.95 Voltage /V 3.75 3.55 3.35 3.15 2.95 0.0% 1C 5C 8C 10C 15.0% 30.0% 45.0% 60.0% 75.0% 90.0% Rate Of Dischage Capacity( Normal 1C Capacity%) 105.0% 放电倍率越大,放电平台电压越低,放电能量会越小. 我司标准:2C容量>0.5C容量 的94%. 30 (1) 电性能 电压——万用表 开路电压: 电池在开路状态下的端电压; 工作电压: 电池接通负载后在放电过程 中显示的电 压,又称放电电压. 内阻——电池内阻仪 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻; 电池的内阻不是常数,在放电过程中会不断 变化,随 电压降低而增大,但不是线性关系,主要原因是电池 内部的活性材料的组成结 构,电解液浓度和温度都在 不断地改变. 31 (2) 可靠性性能 测试项 循环寿命 高温放电 低温放电 荷电保持及恢复 高温高湿 其它环境可靠 性 国标要求 >300次(80%标称容量) >85%标称容量(55℃,4h) >70%标称容量(-20℃,2 4h) >4.1V,>90%标称容量(28 days) >80%标称容量(40℃,90%RH,48h) >3.6V,无损伤, 漏液,冒烟,爆炸现象 32 (2) 可靠性性能 循环寿命——检测柜 1C充放电循环次数>300~500次(80%容量保持) . Capacity Percents(%) 100 90 80 70 60 50 0 50 100 150 200 250 300 Cycl es(3C Charge/10C Discharge) 350 33 (2) 可靠性性能 高低温放电性能——检测柜+高低温箱 55℃环境下1C放电,容量>85%@25 ℃; -20℃环境下0.2C放电,容量>70%@25 ℃. 4.25 Voltage(V) 4 3.75 3.5 3.25 3 2.75 0 200 400 600 800 Capacity(mAh) 1000 1200 1400 55℃ -20℃
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锂离子电池 固态聚合物锂离子电池 按形状分类: 方形,圆柱形,钮扣形,卡片形,异形 9 应用领域(1)——数码产品 Digital Battery 10 应用领域(2)——电动工具 11 应用领域(3)——动力设备 东风高尔夫球车 12 应用领域(3)——动力设备 Hitachi车用Battery系统 TOYOTA混合动力车Prius 波音X45无人战机 混合动力城市大巴 13 6. 锂离子电池基本结构 正极 活性物质(LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2\LiFePO4) 导电剂,粘合剂,铝箔基体 负极 活性物质(石墨,MCMB) 粘合剂,(导电剂),铜箔基体 隔膜(PP/PE) 电解液(LiPF6 + DMC/EC/EMC) 外壳五金件(壳,盖板,极耳,绝缘片 ,PTC) 14 方形锂离子电池结构图 15 聚合物锂离子电池结构图 两种方式 (1)卷绕 (2)叠片 16 圆柱形锂离子电池结构图 17 锂离子电池结构——正极 正极物质:钴酸锂+碳黑+PVDF 正极基体:铝箔(约0.020mm厚) 正极集流体:铝带(约0.1mm厚) 18 正极材料的发展 已商业化的正极材料: LiCoO2——145mAh/g Li(NixCoyMn1-x-y)O2——150mAh/ g Li(NixCo1-x)O2——170mAh/g LiMn2O4——110mAh/g LiFePO4——135mAh/g LiFeM PO4——150mAh/g 19 锂离子电池结构——负极 负极集流体:镍带(约0.07mm厚) 负极基体:铜箔(约0.012mm厚) 负极物质:石墨+CMC+SBR 20 负极材料的发展 已商业化和正开发的负极材料: 天然石墨——300mAh/g 人造石墨——330mAh/g 石墨化碳微球——340mAh/g 改性天然石墨——360mAh/g 合金负极(C/Si,C/Sn) —— >400mAh/g 氧化物负极—— >400mAh/g 锂合金负极—— >700mAh/g
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21 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 1~ 1.3mol/l 密度(25℃) g/cm3 1.23±0.03 水分(卡尔费休法) ≤20ppm 游离酸(以HF计) ≤50ppm 电导率(25 ℃) 10.4±0.5 ms/cm 质量指标: 22 电解液的发展 电解质: LiPF6——高温性能差(80℃) LiBF4——高温性能好 LiBOB——高温性 能特好(300℃) 溶剂: EC(40℃)/DEC/DMC/EMC/PC 发展趋势: 应用于特殊环境的电解 液开发 大电流,耐高温,耐低温,抗过充,阻燃型 23 锂离子电池结构——隔膜 !!!未完全国产化 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0.01 6~0.020mm 三层一般为0.020~0.025mm 24 7. 锂离子电池生产工艺流程 配料 涂布 制片 卷绕 封口 预充 注液 焊盖板 检测 包装 25 工序流程关键控制点 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 工序 配料 涂布 制片 卷绕 焊接 注液 预充 封口 检 测 品质控制点 搅拌速度,真空度,浆料粘度 涂布速度,厚度一致性,粘结度 压实厚度 ,极片整齐度,粉尘,极耳焊 接 卷绕整齐度,粉尘控制,短路测试 气密性测试,短路测试 注液量,注液速度,环境湿度,温度 预充电流,环境湿度,温度 漏液 容量,内阻,电压, 尺寸,外观 26 8. 锂离子电池性能及测试 锂离子电池性能指标项 电性能 容量/ 放电平台/ 电压/ 内阻/倍率放 电性能 高温性能/ 低温性能/ 循环寿命/ 荷 电保持及恢复能力/高温高湿/ 高温 贮存性能/ 跌落/ 振动撞击/ 温度冲 击/ 低气压性能 过充/ 短路/ 热箱/ 过放电/ 针刺/ 挤 压/ 重物冲击/ 焚烧 27 可靠性性能 安全性能 (1) 电性能 容量 电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量, 单位为(安培×小时), 简称安时(Ah)或毫安时(mAh). 标称容量,实际容量,比容量(mAh/g, mAh/L). 放电平台
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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. 行业标准放电平台为70%以上,平台放电时间>42min . 放电倍率 电池容量除以1小时的电流称为1C,大倍率放电时容量一般 会比小倍率放电低. 注:容量,平台,倍率性能可采用电池测试柜进行检测. 28 放电曲线图 The Curve of Discharge Characteristics 4.2 4 Voltage(v) 3.8 3.6 3.4 3.2 3 0 200 400 600 800 Capacity(mAh) 10 00 1200 1400 305566 503759 553450 放电平台对数码产品使用效果影响很大,当数码产品 要求最低工作电压为3.6V时 ,低于平台电压的部分容量 就不能发挥作用. 29 倍率放电比较曲线 BK 18650S20-1500mAh Discharge Rate Characteristrics 4.15 3.95 Voltage /V 3.75 3.55 3.35 3.15 2.95 0.0% 1C 5C 8C 10C 15.0% 30.0% 45.0% 60.0% 75.0% 90.0% Rate Of Dischage Capacity( Normal 1C Capacity%) 105.0% 放电倍率越大,放电平台电压越低,放电能量会越小. 我司标准:2C容量>0.5C容量 的94%. 30 (1) 电性能 电压——万用表 开路电压: 电池在开路状态下的端电压; 工作电压: 电池接通负载后在放电过程 中显示的电 压,又称放电电压. 内阻——电池内阻仪 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻; 电池的内阻不是常数,在放电过程中会不断 变化,随 电压降低而增大,但不是线性关系,主要原因是电池 内部的活性材料的组成结 构,电解液浓度和温度都在 不断地改变. 31 (2) 可靠性性能 测试项 循环寿命 高温放电 低温放电 荷电保持及恢复 高温高湿 其它环境可靠 性 国标要求 >300次(80%标称容量) >85%标称容量(55℃,4h) >70%标称容量(-20℃,2 4h) >4.1V,>90%标称容量(28 days) >80%标称容量(40℃,90%RH,48h) >3.6V,无损伤, 漏液,冒烟,爆炸现象 32 (2) 可靠性性能 循环寿命——检测柜 1C充放电循环次数>300~500次(80%容量保持) . Capacity Percents(%) 100 90 80 70 60 50 0 50 100 150 200 250 300 Cycl es(3C Charge/10C Discharge) 350 33 (2) 可靠性性能 高低温放电性能——检测柜+高低温箱 55℃环境下1C放电,容量>85%@25 ℃; -20℃环境下0.2C放电,容量>70%@25 ℃. 4.25 Voltage(V) 4 3.75 3.5 3.25 3 2.75 0 200 400 600 800 Capacity(mAh) 1000 1200 1400 55℃ -20℃
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锂离子电池 固态聚合物锂离子电池 按形状分类: 方形,圆柱形,钮扣形,卡片形,异形 9 应用领域(1)——数码产品 Digital Battery 10 应用领域(2)——电动工具 11 应用领域(3)——动力设备 东风高尔夫球车 12 应用领域(3)——动力设备 Hitachi车用Battery系统 TOYOTA混合动力车Prius 波音X45无人战机 混合动力城市大巴 13 6. 锂离子电池基本结构 正极 活性物质(LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2\LiFePO4) 导电剂,粘合剂,铝箔基体 负极 活性物质(石墨,MCMB) 粘合剂,(导电剂),铜箔基体 隔膜(PP/PE) 电解液(LiPF6 + DMC/EC/EMC) 外壳五金件(壳,盖板,极耳,绝缘片 ,PTC) 14 方形锂离子电池结构图 15 聚合物锂离子电池结构图 两种方式 (1)卷绕 (2)叠片 16 圆柱形锂离子电池结构图 17 锂离子电池结构——正极 正极物质:钴酸锂+碳黑+PVDF 正极基体:铝箔(约0.020mm厚) 正极集流体:铝带(约0.1mm厚) 18 正极材料的发展 已商业化的正极材料: LiCoO2——145mAh/g Li(NixCoyMn1-x-y)O2——150mAh/ g Li(NixCo1-x)O2——170mAh/g LiMn2O4——110mAh/g LiFePO4——135mAh/g LiFeM PO4——150mAh/g 19 锂离子电池结构——负极 负极集流体:镍带(约0.07mm厚) 负极基体:铜箔(约0.012mm厚) 负极物质:石墨+CMC+SBR 20 负极材料的发展 已商业化和正开发的负极材料: 天然石墨——300mAh/g 人造石墨——330mAh/g 石墨化碳微球——340mAh/g 改性天然石墨——360mAh/g 合金负极(C/Si,C/Sn) —— >400mAh/g 氧化物负极—— >400mAh/g 锂合金负极—— >700mAh/g