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1、锂离子电池基础知识,Sept., 2010,锂离子电池的历史,人类对便携能源的追求：高能量密度，高性能，方便快捷，经济环保,不懈追求高能电池,锂电池,聚合物电解质,安全问题,炭负极,聚合物锂离子,繁荣的锂离子电池,石墨负极锂离子,Li,固体电解质,安全活性材料,二次电池,70年代,1989 年,1993 年,90 年代,应用领域的深化和拓展,锂离子电池应用,锂离子电池种类,按外形：圆柱形、方形、异形 按包装材质：钢壳、铝壳、铝塑软包装 按电解液：液态锂离子、凝胶聚合物、固体聚合物 按构造：层叠式、卷绕式 按性能：高能量、高功率（高倍率） 按应用：便携小器件、电动能源,锂离子电池特点,优点： 能
2、量密度高 单电池电压高 污染小，绿色环保 不足: 安全（在逐步提高） 价格（现在很便宜了）,锂离子电池的构造,五要素： 正极材料：含锂的过渡族金属化合物 负极材料：炭材料 隔离膜：PP、PE类 电解液：含锂盐的有机电解液 包装：软包装、钢壳、铝壳,锂离子电池正极材料,种类： Ni、Co、Mn的化合物：钴酸锂，镍锰钴锂，镍钴锂，尖锰 磷酸盐类：磷酸铁锂，磷酸钒锂 结构： 层状结构 三维隧道结构 特点（钴酸锂）： 蓝黑色固体粉末 易吸潮 真实密度5g/cc，振实密度2.5g/cc，粒度8um 容量140mAh/g,钴酸锂,钴原子层、氧原子层和锂原子层交替堆叠而成的层状晶体结构 化学式：LixCoO
3、2 通过高温烧结制造的陶瓷材料,钴酸锂的电性能,可逆容量：140mAh/g 平台: 3.9-4.0V 电压范围: 3.0-4.3V,钴酸锂的电性能,锂离子电池负极材料,种类： 炭材料家族：人造石墨、天然石墨、硬炭 非炭类：硅炭、锡合金 结构（石墨）： 层状结构 特点： 黑色固体粉末 真实密度2.2g/cc，振实密度1.1g/cc，粒度20um 容量340mAh/g,石墨和石墨层间化合物,锂离子存储在石墨层中，以一定的结构形式存在，形成化合物LixC6(0x 1) ，称之为石墨层间化合物（GICs)，不同x对应不同状态GICs。,石墨的电性能,几个平台？ 平台：0.3-0.05V 可逆容量：30
4、0-360mAh/g 不可逆容量：首次充电过程损失部分,Rev,Irr,SEI,充电后的负极石墨,颜色变化 黑色淡蓝色黄褐色金黄色 观察我们的负极 化学活性 非常活泼，遇空气易氧化，遇水剧烈反应 拆电池时要注意 热稳定性 温度越高越活泼，热稳定性差,锂离子电池电解液,溶剂有机碳酸脂溶剂 环状脂：EC、PC、GBL 链状脂：DEC、DMC、EMC、MPC 盐大阴离子锂盐 LiPF6、LiBF4 特点： 密度：1.2g/cc 电导率：8mScm 粘度：3.5mPas（大约是水的三倍） 要求极低的水分含量（我们在充氮气手套箱中灌注电解液） 控制HF含量,锂离子电池电解液,电解液作用,环状脂的作用：
5、电解质盐强电离溶剂 高沸点 链状脂的作用： 稀释电解液 部分电离盐的作用 一般使用状态： 2550环状脂7550链状脂 1M LiPF6 水分、HF20ppm,电解液对电池的影响,SEI 电解液对SEI层质量起主导作用 内阻 产生一定的内阻 大电流时的浓差极化较大 热稳定性 高温时部分溶剂可能气化，鼓胀电池 盐在高温下分解加速 安全 有氧化燃烧的危险,锂离子电池隔离膜,多孔有机高分子膜（某些聚合物电池例外）：PP膜、PE膜、复合膜 特点： 孔隙率：45 孔径：0.5um 强度：MD，TD 厚度：20um 收缩率：2,隔离膜,隔离膜对电池性能的影响和如何避免 内阻：影响离子传导有效面积和距离 自
6、放电 安全问题 隔离膜在电池中会老化吗？,我们的集流体,粉末正、负极材料的家 构成电极的一部分 汇集电流 正极：铝箔 负极：铜箔 如果负极用铝箔呢？对集流体有哪些要求？,包装箔有几层？,我们的包装箔是多层铝塑复合材料 每层有各自的功能 对包装箔的保护要注意哪些方面？,锂离子电池工作原理,锂离子在正、负极之间循环旅游，这个旅游过程表现为电池放电或充电,锂离子电池工作原理,正极：,负极：,总的反应：,锂离子电池工作原理,电池首次充电放电过程叫电池活化： 正、负极材料表面形成的SEI层，构成稳定的界面。 去除大部分杂质 形成稳定的电化学体系 活化过程会消耗部分能量，构成了不可逆容量部分 SEI层的质
7、量很大程度上决定了电池的质量,SEI层是什么？,相当于一个保护钝化膜，是通过电化学钝化形成的，厚度为纳米级。 主要成分是电解液中成分在正、负极表面分解的产物： 无机锂：LiF, Li2O 有机锂：LiR 特点：锂离子导通，电子绝缘！ SEI层对负极尤为重要 SEI层的重要意义： 保护了电极材料不受电解液的侵蚀 保证了电池的效率和循环使用,负极SEI层形成过程,EC作用巨大 PC产生破坏 链状脂贡献小 添加剂可以弥补 固体产物在电极表面附着，气体需要排出,电池负极析锂,当负极不够容纳、或来不及容纳来自正极的锂离子时，锂离子就会在负极表面以金属锂的形式析出，并继而和电解液等反应生产副产物沉积在负极
8、表面，并可能产生气体。 观察中可以看到析锂后的负极表面好似有一层粘性附着物。 电池要避免析锂。,电池性能有哪些体现和要求,电性能 能量密度 循环性能 内阻 倍率性能 安全性能（UL1642，GB/T 18287-2000） 非正常充放电安全性能 环境安全性能 机械安全性能,能量密度和内阻,能量密度： 高容量电池：400Wh/L, 160Wh/kg 383450? 高功率电池： 300Wh/L, 110Wh/kg 内阻 电池结构：极片厚度、长度、宽度 材料特性 一般和容量成反比,循环性能,一般要求： 常温500（20容量衰减） 环境影响： 3040度表现最佳，50度衰减加速较大 为什么会衰减？
9、材料 界面,倍率性能,一般使用对倍率的要求约1C 大电流电池要求很高的倍率放电性能，如5C，10C等。,自放电,自放电比较小，常温存储5/月。 正常自放电来源？ 自蚀 内部微电流消耗 异常情况？ 微短路 杂质腐蚀 材料不稳定,高温存储,测试在某种SOC下，一定温度下存储后的容量保持率、内阻变化和厚度增长。 一般测试温度有60、80、85度 对软包装电池，最重要的是厚度增长不能超标（一般要求10）。,高温高湿,对电池密封性的一种测试。 测试环境湿度约95，温度为65度。 要求容量保持率、内阻变化和厚度变化在规定范围内。,热箱测试,评估电池在环境温度超标情况下电池的安全性能。 UL测试为130度，
10、要求在规定时间内不冒烟不着火不爆炸。 失效原因可能是正极或负极和电解液反应，或隔离膜收缩导致的局部短路。,短路,UL要求满充电池在100mohm电阻导线短路条件下电池不冒烟不着火不爆炸。 测试环境温度影响很大，60度测试比较苛刻。 主要失效原因是短时大电流放电发热导致电池内部反应失控或短路。,穿钉,评估电池非正常内短路条件下的安全特性。 UL要求在2.8mm铁钉刺穿后不冒烟不着火不爆炸。 主要失效原因是局部短路和过热造成的反应失控。,过充,模拟电池使用过程中可能会面临的非正常充电状态下安全性能，要求不冒烟，不着火，不爆炸。 正极是过充失效的主要控制环节。 主要失效原因是正极导致的热失控和化学反应失控。,过放,要求放电到0V不冒烟不起火不爆炸。 我们的电池一般只是鼓气，百分百通过。,振动挤压冲击测试,模拟测试电池抗意外机械破坏时的安全特性。,90Ah单体电池基本参数,电动车电池组基本参数,