锂电池原理全面培训教材PPT课件

能量转换
▪ 热力学和电化学的联系
1.系统的吉布斯自由能变值等于系统所做的最大 非膨胀功 -DG = Wf
2.在原电池中，非膨胀功只有电功一项，所以 化学反应的吉布斯自由能变转变为电能 DG = zEF
3.当电池中所有物质都处于标准态时，电池的电 动势就是标准电动势Eq。DGq = - zEqF
原电池原理
▪ 较活泼的金属失去电 子发生氧化反应，电 子从较活泼金属（负 极）通过外电路流向 较不活泼的金属（正 极） 。
电池分类
▪ 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
我国电池的发展史
▪ 自五十年代以来，我国二次电池工业，从无到有，从弱到强， 已形成了比较完备的工业体系，其发展历程大致可分为三个 时期。
锂电池原理
▪ RCB--锂离子电池是建立在RCB 理论的基础上 的。锂离子电池的正负极均采用可供锂离子 （Li+）自由脱嵌的活性物质，充电时Li+从正 极脱嵌通过聚合物电解质到达负极，得到电子 后与碳材料结合变为Li×C6，放电时，锂离子 自负极析出，通过电解质，到达正极，重新回 到磷酸铁锂的骨架中，恢复到充电前的状态。 充放电时离子的往返的嵌入、脱嵌正像摇椅一 样摇来摇去，故有人又称锂离子电池为“摇椅 电池”，又叫RCB电池（英文Rocking Chair Batteries的缩写）。
各类电池比较
锂电池发展
▪ 锂原电池--枝晶通过充放电的循环反复形成， 枝晶锂可能穿透隔膜，造成电池内部短路， 从而发生爆炸，无法使锂蓄电池实现商品 化生产。
▪ 1990年日本的索尼(Sony)公司率先研制成功 锂离子电池，它是把锂离子嵌入碳中形成 负极，取代传统锂原电池的金属锂或锂合 金作负极。1992年，锂离子蓄电池实现商 品化，1999年，聚合物锂离子电池实现商 品化。
锂电池原理
▪ 锂离子电池是指Li+ 嵌入化合物为正、负 极的二次电池。
▪ 正 LiM极n采O2用、锂Li化Fe合PO物4LiCoO2、LiNiO2 、 ▪ 负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。 ▪ 电 机解溶质液为。溶解有锂盐LiPF6 、 LiAsF6等有
锂电池原理
▪ 在用LiFePO4做正极，石墨做负极场合的可充 锂二次电池的构造为C∣ES∣LiFePO4（ES：Li+ 传导性有机电解液）。以上组成的电池的端电 压支是 持零 的伏 非， 水但溶在剂含中有，充LiB电F4时，根LiP据F反6等应锂L离iFe子PO的4 +活Fe6化PCO→蓄4F了。eP电在O的这4 +二个Li次电C6电池的池中反则正应成极，为反因：应正L、、iC负负6∣极极SE反材∣ 应料和的 全电池反应分别以1-3式表示。
▪ 正极反应： FePO4 +Li++e→ LiFePO4 （1） ▪ 负极反应：LiC6→Li++e+6C （2） ▪ 全 反 应： FePO4 +LiC6→ LiFePO4 +6C （3）
原理图示Байду номын сангаас
锂离子电池的特点
▪ a. 比容量高 ▪ b. 单电池输出电压高 ▪ c. 自放电率低 ▪ d. 使用寿命长 ▪ d. 安全性能好 ▪ e. 无记忆效应 ▪ f. 不含重金属如：镉、汞，对环境无污染，属
▪ 首先是五十年代兴起的铅酸蓄电池。 ▪ 第二个时期是指六十年代开发成功镉镍碱性蓄电池时期，该
系列电池由于高功率、高寿命以及良好的低温性能，广泛地 应用于航海、通讯、电力、铁路、通讯、电动工具、办工自 动化等诸多部门。 ▪ 第三个时期指进入九十年代至今，九十年代初期，中国已有 了研制锂电池的初级产品，主要是用于电子计算器上的二氧 化锰扣式电池，以及少量的锂、碘和卷边封口的锂、二氧化 硫电池，随后又研制出小型碳包式的锂、亚硫氯电池。此外 90年代初，中国才开始由自己规模化生产的，可供军方使用 的安全可靠的锂电池。到了90年代末期，我国对锂离子电池 的研究有了突破性的进展，比亚迪、邦凯和比克等公司都在 大规模生产液态锂离子电池，产品的技术水平已达到或接近 日本同类电池的水平。
锂电池选用材料
锂电池选用材料结构
磷酸铁锂材料结构
磷酸铁锂形貌
充放电机理
▪ 电解液：1MLiPF6/EC+DMC+EMC（进口、国产）
▪
EC-乙基碳酸酯,DMC-二甲基碳酸酯,EMC:乙基甲基碳酸酯
▪ 辅助材料：导电碳黑、黏结剂（正极：PVDF，负极：SBR、
CMC）、铜箔（10微米厚）、铝箔（ 12-15微米厚）、胶带、二 甲基吡咯烷酮（NMP）等。
▪ 电池配件：壳体、盖板、连接片等。
绿色环保电池。 ▪ g. 自放电率低
选用锂金属电池特点
水分控制
锂电池选用材料
▪ 主要材料：
▪ 正极:钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂 (国产);
▪ 负极:炭(天然石墨、改性石墨、中间相碳微球、纳米碳纤维等） （进口、国产）；
▪ 隔膜：聚丙烯微孔膜（PP）、聚乙烯微孔膜（PE）、PE/PP/PE复 合膜（进口），厚度：9、16、20、25微米；
电池定义
▪ 电池是一种能量转化与储存的装置，它主要通 过化学反应将化学能或物理能转化为电能。电 池是一种化学电源，它由两种不同成分的电化 学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能 提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一 外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提 供电能。
▪ 每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存 的化学能直接转换成电能，就二次电子（也叫 蓄电池）而言，在放电过程中，是将化学能转 换成电能；而在充电过程中，又将电能重新转 换成化学能。
锂电池原理以及工艺控制
前言
▪ 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。所以 在学习和设计时需要综合考虑。
▪ 锂离子电池生产流程较长，每个质量控制 点都非常重要，尤其对于关键的步骤更要 严格控制。
大纲提要
▪ 电池定义及分类 ▪ 锂离子电池反应原理 ▪ 锂离子电池所用原材料及指标 ▪ 锂离子电池设计及结构 ▪ 锂离子电池工艺流程及控制 ▪ 锂离子电池生产设备 ▪ 锂离子电池主要性能指标 ▪ 动力锂离子电池展望