锂电池原理与应用ppt课件
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2.比容量：为了对不同的电池进行比较，引入比 容量概念。比容量是指单位质量或单位体积电 池所给出的容量，称为质量比容量或体积比容 量。
3.影响电池容量的因素： a. 电池的放电速度(通常以电流强度mA来表示)：
电流越大，输出的容量减少；
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注：图中A区(阴影部分)为电池对外输出的能量；B区为 电池自身损耗的能量。
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➢ 方形聚合物锂离子电池在2000年开始出 现批量生产，初期年产量为1100万颗， 预计至2005年的年产量可达2.3亿颗，年 均增长率为79％。预计液态锂离子电池 年产量达5亿只。电池尺寸厚度变薄，同 时电池重量比能量也大幅度地提升，从 130 wh/kg增加到150wh/kg；现在世界上 聚合物锂离子电池的重量比能量已提升 到180 wh/kg左右的水平，比液态锂离子 电池高出10%以上。
锂电池原理及应用
一、锂电池发展简介
➢ 20世纪70年代末,以金属锂为负极，氧化钼、氧化钒 为正极的锂蓄电池已研发成功；
➢ 80年代中后期,以聚氧化乙烯(PEO)等导电聚合物为 电解质膜的锂二次电池也研发成功。但由于安全可 靠性及电压体系等种种因素未能投入商业市场；
➢ 1991年日本索尼(Sony)公司首次推出的以碳材为负 极，以钴酸锂材料为正极的二次锂电池。由于它没 有金属锂，称为锂离子电池，成功地解决了锂电池 的安全可靠性问题，立即被市场广泛接受并成为笔 记本电脑和手机等IT产品的电源。
RM=ρs·J
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式中
RM是隔膜电阻；
ρ 是溶液比电阻；
s
J
表征
隔膜微孔结构的因素等。结构因素包括膜厚、
孔率、孔径、孔的弯曲程度。极化电阻Rf是指 电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学
极化和浓差极化引起的电阻。为比较相同系列
不同型号的化学电源的内阻，引入比内阻(Riˊ ) 的概念，即单位容量下电池的内阻。
Riˊ＝ Ri /C
式中Riˊ为比内阻，C为电池容量，Ri为电池内 阻。
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(四)、能量和比能量 电池在一定条件下对外作功所能输出的电
能叫做电池的能量，单位一般用wh表示。 1.理论能量
电池的放电过程处于平衡状态，放电电压 保持电动势(E)数值，且活性物质利用率为100 ％，在此条件下电池的输出能量为理论能量 (W0)，即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非 膨胀功(W0=C0E)。
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初期的锂离子电池代表产品为18650圆柱型电池, 标称容量为1800mAh；
➢ 90年代中后期，手机采用3.6伏系统，并且已经实 现了小型化。要求减少电池的厚度和体积，出现 了方形电池。 电池厚度变化从10mm减薄至5mm。 现在已有3.5mm厚的铝壳手机电池问世；
➢ 1999年，日本Sony等四家公司几乎同时推出用铝 塑薄膜作外壳包装的聚合物锂离子电池。当时电 池尺寸为305062，容量为550mAh。经过几年的研 究，聚合物锂离子电池产品其厚度可以从1mm到 10mm，容量可以从40mAh到5000mAh；
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二、锂离子电池工作原理及其结构
1.工作原理：
锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电 极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+ 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正 极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳 负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反， Li+ 从负 极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正 常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结 构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化， 不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结 构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子 电池反应是一种理想的可逆反应。
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液态锂离子电池结构图
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聚合物锂离子电池结构图
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不同温度下放电曲线
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循环寿命曲线
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三、锂离子电池性能
➢ 电性能
(一)、电压 1.开路电压：电池与外电路没有接通时，即没有电流流
过时电极之间的电位差，等于正极电位与负极电位之 间的差值。如锂离子电池的开路电压为4.1V，铅酸蓄 电池ห้องสมุดไป่ตู้2.1V。 2.工作电压：又称放电电压或负荷电压，是指电池对外 输出电流时，电池两极间的电位差。工作电压总是低 于开路电压。
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b.电池的放电温度：温度降低，输出容量减少；
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c.电池的放电终止电压：是由用电器以及电池反 应本身的限定来设定的，例如：充电时，终止 电压为4.2V，放电时为3 .0V或2 .75V。
d.电池的贮存时间：电池经过长时间贮存后，电 池的放电容量会相应减少。
(三)、内阻
电池内阻包括欧姆电阻(RΩ)和电极在电化 学反应时所表现的极化电阻(Rf )。欧姆电阻、 极化电阻之和为电池的内阻(Ri )。欧姆电阻由 电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的 接触电阻组成。隔膜电阻是当电流流过电解液 时，隔膜有效微孔中电解液所产生的电阻(RM )。
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2.实际能量 电池放电时实际输出的能量称为实际能量。
3.比能量
W=V工作I t V工作= V开路－I Ri
单位质量和单位体积的电池所给出的能量，
称质量比能量或体积比能量，也称能量密度。
3.终止电压：电池充放电时，电压上升或下降到某数值， 电池不宜再继续充电或放电的工作电压。一般在充电 时，终止电压为4.2V，放电时为3 .0V或2 .75V。
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(二)、容量 电池容量是电池对用电器输出的电
量。单位为mAh或Ah。容量大小是由正 负极中活性物质的数量多少来决定的。
1.额定容量：在设计和制造电池时，规 定电池在一定放电条件下应该放出的最 低限度的电量。
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2.锂离子电池结构：
➢ 正极：预先锂化的过渡金属氧化物，如钴酸锂、
锰酸锂、镍酸锂等
➢ 负极：具有特殊结构的碳材，如软碳、硬碳石墨
和石墨化碳纤维等 ➢ 电解液：有机溶剂和锂盐的溶液，例如PC(碳酸
丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、DMC(二甲 基碳酸)、DEC(二乙基碳酸)、1M LiPF6 电导率为6.79 mS/cm，水含量6ppm， HF含量8ppm。 ➢ 隔膜： 多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜 ➢ 包装材料：铝塑复合膜
2.比容量：为了对不同的电池进行比较，引入比 容量概念。比容量是指单位质量或单位体积电 池所给出的容量，称为质量比容量或体积比容 量。
3.影响电池容量的因素： a. 电池的放电速度(通常以电流强度mA来表示)：
电流越大，输出的容量减少；
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注：图中A区(阴影部分)为电池对外输出的能量；B区为 电池自身损耗的能量。
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➢ 方形聚合物锂离子电池在2000年开始出 现批量生产，初期年产量为1100万颗， 预计至2005年的年产量可达2.3亿颗，年 均增长率为79％。预计液态锂离子电池 年产量达5亿只。电池尺寸厚度变薄，同 时电池重量比能量也大幅度地提升，从 130 wh/kg增加到150wh/kg；现在世界上 聚合物锂离子电池的重量比能量已提升 到180 wh/kg左右的水平，比液态锂离子 电池高出10%以上。
锂电池原理及应用
一、锂电池发展简介
➢ 20世纪70年代末,以金属锂为负极，氧化钼、氧化钒 为正极的锂蓄电池已研发成功；
➢ 80年代中后期,以聚氧化乙烯(PEO)等导电聚合物为 电解质膜的锂二次电池也研发成功。但由于安全可 靠性及电压体系等种种因素未能投入商业市场；
➢ 1991年日本索尼(Sony)公司首次推出的以碳材为负 极，以钴酸锂材料为正极的二次锂电池。由于它没 有金属锂，称为锂离子电池，成功地解决了锂电池 的安全可靠性问题，立即被市场广泛接受并成为笔 记本电脑和手机等IT产品的电源。
RM=ρs·J
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式中
RM是隔膜电阻；
ρ 是溶液比电阻；
s
J
表征
隔膜微孔结构的因素等。结构因素包括膜厚、
孔率、孔径、孔的弯曲程度。极化电阻Rf是指 电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学
极化和浓差极化引起的电阻。为比较相同系列
不同型号的化学电源的内阻，引入比内阻(Riˊ ) 的概念，即单位容量下电池的内阻。
Riˊ＝ Ri /C
式中Riˊ为比内阻，C为电池容量，Ri为电池内 阻。
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(四)、能量和比能量 电池在一定条件下对外作功所能输出的电
能叫做电池的能量，单位一般用wh表示。 1.理论能量
电池的放电过程处于平衡状态，放电电压 保持电动势(E)数值，且活性物质利用率为100 ％，在此条件下电池的输出能量为理论能量 (W0)，即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非 膨胀功(W0=C0E)。
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初期的锂离子电池代表产品为18650圆柱型电池, 标称容量为1800mAh；
➢ 90年代中后期，手机采用3.6伏系统，并且已经实 现了小型化。要求减少电池的厚度和体积，出现 了方形电池。 电池厚度变化从10mm减薄至5mm。 现在已有3.5mm厚的铝壳手机电池问世；
➢ 1999年，日本Sony等四家公司几乎同时推出用铝 塑薄膜作外壳包装的聚合物锂离子电池。当时电 池尺寸为305062，容量为550mAh。经过几年的研 究，聚合物锂离子电池产品其厚度可以从1mm到 10mm，容量可以从40mAh到5000mAh；
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二、锂离子电池工作原理及其结构
1.工作原理：
锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电 极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+ 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正 极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳 负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反， Li+ 从负 极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正 常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结 构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化， 不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结 构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子 电池反应是一种理想的可逆反应。
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液态锂离子电池结构图
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聚合物锂离子电池结构图
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不同温度下放电曲线
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循环寿命曲线
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三、锂离子电池性能
➢ 电性能
(一)、电压 1.开路电压：电池与外电路没有接通时，即没有电流流
过时电极之间的电位差，等于正极电位与负极电位之 间的差值。如锂离子电池的开路电压为4.1V，铅酸蓄 电池ห้องสมุดไป่ตู้2.1V。 2.工作电压：又称放电电压或负荷电压，是指电池对外 输出电流时，电池两极间的电位差。工作电压总是低 于开路电压。
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b.电池的放电温度：温度降低，输出容量减少；
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c.电池的放电终止电压：是由用电器以及电池反 应本身的限定来设定的，例如：充电时，终止 电压为4.2V，放电时为3 .0V或2 .75V。
d.电池的贮存时间：电池经过长时间贮存后，电 池的放电容量会相应减少。
(三)、内阻
电池内阻包括欧姆电阻(RΩ)和电极在电化 学反应时所表现的极化电阻(Rf )。欧姆电阻、 极化电阻之和为电池的内阻(Ri )。欧姆电阻由 电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的 接触电阻组成。隔膜电阻是当电流流过电解液 时，隔膜有效微孔中电解液所产生的电阻(RM )。
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2.实际能量 电池放电时实际输出的能量称为实际能量。
3.比能量
W=V工作I t V工作= V开路－I Ri
单位质量和单位体积的电池所给出的能量，
称质量比能量或体积比能量，也称能量密度。
3.终止电压：电池充放电时，电压上升或下降到某数值， 电池不宜再继续充电或放电的工作电压。一般在充电 时，终止电压为4.2V，放电时为3 .0V或2 .75V。
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(二)、容量 电池容量是电池对用电器输出的电
量。单位为mAh或Ah。容量大小是由正 负极中活性物质的数量多少来决定的。
1.额定容量：在设计和制造电池时，规 定电池在一定放电条件下应该放出的最 低限度的电量。
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2.锂离子电池结构：
➢ 正极：预先锂化的过渡金属氧化物，如钴酸锂、
锰酸锂、镍酸锂等
➢ 负极：具有特殊结构的碳材，如软碳、硬碳石墨
和石墨化碳纤维等 ➢ 电解液：有机溶剂和锂盐的溶液，例如PC(碳酸
丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、DMC(二甲 基碳酸)、DEC(二乙基碳酸)、1M LiPF6 电导率为6.79 mS/cm，水含量6ppm， HF含量8ppm。 ➢ 隔膜： 多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜 ➢ 包装材料：铝塑复合膜