锂电池基本原理-结构及验证测试

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(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
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(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℃,24h) >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
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。
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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) 1000 1200 1400
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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
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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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锂离子电池质量认证
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9. 锂电池安全技术
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
锂电池存在危险性的根本原因分析 正极材料结构缺陷 负极材料的结构缺陷 有机电解液的易分解和可燃性 隔膜的热收缩性和易穿透性 设计不完善可能导致的危险 生产过程的严控
锂离子电池基础
曹建华 深圳邦凯电子有限公司
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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。
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。
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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
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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
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。
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%。
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(1) 电性能
电压——万用表
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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- → LixC 总反应：LiCoO2 + C ↔ Li1-xCoO2 + LixC
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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 5002000 500 500 <10 >20 >20 稍差 好 好 无 有 有 无 无 有
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(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 Cycles(3C Charge/10C Discharge) 350
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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
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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
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注：除焚烧外，其它测试均要求电池不起火，不爆炸。
有关锂离子电池测试标准
标准号 GB/T18287-2000 YD1268-2003 UL1642 IEC61960 IEC60086 IEEE1625 ST/SG/AC.10/11 标准名称 蜂窝电话用锂离子电池总规范 移动通讯手持机锂电池及充电器的安 全要求和试验方法 Standard for Lithium Batteries Secondary Lithium Cells and Batteries for Portable Applications Safety Standard for Lithium Batteries IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Portable Computing UN Manual of Tests and Criteria
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）
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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 LiFeMPO4——150mAh/g
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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
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应用领域（1）——数码产品
Digital Battery
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”。
55℃
-20℃
25℃
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() 安全性能
测试项 过充(Overcharge) 测试条件 1C/4.8V充电，8h。(3C/5V,3C/10V)
短路(Short circuit) 小于50mΩ的铜线短接正负极。 热箱(Hot box) 130℃(1h), 150℃(30min)。 过放(Overdischarge) 外接30Ω电阻持续放电24h。 针刺(Penetration) 挤压(Crush) 重物冲击(Impact) 焚烧(Fire exposure) 3.12mm钢针1s内穿透电池。 Ф32mm压头，压力17.2MPa。 15.8mm钢棒放于电池上，9.1kg重锤自 600mm高度自由下落至电池纵轴面。 筛网围成直径0.61m圈，明火烤。
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应用领域（2）——电动工具
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应用领域（3）——动力设备
东风高尔夫球车
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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
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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
！！！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0.016～0.020mm 三层一般为0.020～0.025mm
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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
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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
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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
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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
质量指标：
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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
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锂离子电池结构——隔膜
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。
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）
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方形锂离子电池结构图
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聚合物锂离子电池结构图
两种方式 (1)卷绕 (2)叠片
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圆柱形锂离子电池结构图
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锂离子电池结构——正极
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。