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