1、锂离子电池基本知识培训,Prepared by: 殷世抒 Date: 2012/03/2,内容,1.关键词1.1 二次电池的主要类别1.2 锂离子电池的特性2. 反应原理 2.1 正常充放电过程2.2 异常充放电过程3. 材料的主要成分，作用及其特性2.1 正极材料2.2 负极材料2.3 隔膜2.4 电解液2.5 铝塑膜/钢壳-盖帽2.6 极耳4. 主要的性能参数，影响因素及相对应的关键控制点,1.2 锂离子电池的特性（1）,1.2.1 安全性,锂离子电池由于具有能量密度高、输出电压高、 容量高等优点；而这些优点同时也带来了锂离子电池的安全性隐患。一般来说，能量密度，电压及容量越高，安全性就越
2、差。锂离子电池的电极反应机理，电池的材料体系决定了锂离子电池一旦出现滥用，将非常容易导致热失控，从而引发起火，爆炸等安全事故。,1.2 锂离子电池的特性（2）,各种电池的比较,锂离子电池为高储能体,2 反应原理,基本反应原理：充电过程：锂离子在负极表面得到电子，被还原为锂原子；然后在微弱的共价键作用下，镶嵌到石墨分子（6个碳原子）中。放电过程:锂原子从LiC6中脱嵌而出，失去电子变成锂离子，回到电解液和正极。,+,充电,放电,2.1 正常充放电过程,充电过程：正极反应： Li1MO2-Li1-xMO2 +x Li+ xe- 负极反应： C + x Li+ +x e- CLix 总反应： Li1
3、MO2+C- Li1-xMO2+ CLix放电过程：正极反应： Li1-xMO2 +x Li+ +xe- - LiMO2 负极反应： CLix - C + xLi+ +e- 总反应： Li1-xMO2+ CLix-Li1MO2+C,2.2 异常充放电过程,过充电：通常指电压高于4.2v以上。一般高于4.35v会严重损伤电池性能。从分子层面看，可以直观的理解，过度充电将把太多的锂原子硬塞进负极碳结构里去，当没有足够的石墨分子来“存放”锂原子时，锂原子将在负极石墨表面结晶，即“析锂”现象；当枝晶越长越大时，可能刺穿隔膜导致短路。 过放电：通常指电压低于3.0v。一般低于2.0v会严重损伤电池性能。
4、过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷。同时，当电池电压低于铜的氧化电位时，铜箔将会溶解进入电解液，并在正极片上面结晶析出，即“析铜”现象。过电流充（大倍率）放电：可能会严重损伤电池，导致鼓胀，起火，爆炸等事故。严重过充的可能后果:1）：容量衰减快，电压衰减快；2）：鼓胀，起火，爆炸。严重过放的可能后果：1）：容量衰减快，电压衰减快；2）：鼓胀,2.3 析锂和析铜的照片,析锂,析铜,3 电池材料,3.1 正极材料：,正极材料的主要作用：提供导电正电荷（Li离子）。,正极材料的晶体结构,3.2 负极材料,负极材料主要是石墨，分天然石墨，人造石墨，改性石墨等。石墨吸附能力非常强
5、，很容易吸收水分，吸收灰尘，吸收气体，因此要密封保存。层状石墨无定形体在空气中的着火点很高(1000度以上），但如果颗粒非常小，有明火存在时则在750-800度比较容易被引燃。化学性能稳定，常温下不与酸性，碱性，有机或无机溶液发生反应。负极材料的主要作用：1）包容锂原子，形成LiC，降低Li原子的化学活性。2）导电性好，有利于降低电池的内阻。小问题：卷绕工序为什么要求负极必须完全包住正极？,3.3 隔膜,隔膜的成分：PP+PE 隔膜的结构分类：单层，双层，三层常用的隔膜是一层PP和一层PE（或两层PP）压合在一起形成。每层膜的微观结构上都有很多微孔，能够透过分子直径比较小的气体分子，能通过离子
6、，但不能通过电子。 隔膜的特性:1）受热收缩：80以上的环境中，长度和宽度两个方向都会受热收缩；2）离子导通，电子关断。3）软化点130-140，熔点170-190。隔膜的作用：1）在正负极之间起到绝缘作用；2）充放电的过程中，通过锂离子穿行来实现电荷的转移。,小问题：1）设计上，隔膜宽度为什么要比正负极都宽？2）注液前真空烘烤工序的烘烤温度为什么要求是在80-90？,3.4 电解液,主要成分1）溶剂：PC/EC/DEC/EMC/DMC等碳酸酯类的混合物，还有一些添加剂，其中DMC（碳酸二甲酯）的凝固点为4，沸点为90。2）溶质：六氟磷酸锂LiPF6.浓度通常为1mol/升。作用：在充放电过程
7、中作为一种媒介，并提供足够多的正电荷。化学特性： 1.溶剂：1）低温易凝固，阻抗增加，使导电能力急剧减弱；2）高温易分解，产生许多种复杂的气体组分，电池内部气压升高导致鼓胀漏液，或者内阻升高，电压及容量迅速衰减。2. 溶质：LiPF6极易发生水解，产生大量的氢氟酸。LiPF6 + H2O - LiPO3 + 3HF + LiF,小问题：午饭后上班时，手套箱杯子里面的电解液为什么要倒掉？,3.5 极耳,组成：金属片+极耳胶金属片的作用：连接电池内部的极片和外部的保护线路或用电器。极耳胶的作用：1）顶封时，通过极耳胶把上下两层铝塑膜粘合起来；2）防止金属片与铝塑膜的铝箔短路。,小问题：1）极耳胶的
8、宽度为什么是5mm而不是4mm？2）顶封时，极耳胶外露为什么至少要有0.1mm？,3.6 铝塑膜,铝塑膜的供应商1）Showa，即昭和电工株式会社。2）DNP，即大日本印刷株式会社。 铝塑膜的结构铝塑膜的作用：小问题：为什么顶侧封的温度是180210？ 小问题：DNP铝塑膜封印厚度150-170um是否合理？,40um,30um,30-35um,5um,5um,3.7 圆柱盖帽,盖帽的结构1）铁帽2）PTC3）大铝片4）小铝片5）胶圈小问题：1）盖帽来料为什么要均匀涂胶水？2）高倍率电池的盖帽为什么没有PTC？3）短路测试通不过时，为什么设计上在极耳外面焊接一个PTC就可以通过测试？,4 电池
9、的主要性能（1）,4.1 容量的影响因素1）正极偏轻（材料偏少） 2）负极比例不够，导致正极容量发挥不出来 3）负极未包住正极，析锂导致容量损失 4）电解液性能不好，或电解液量不足 5）隔膜孔隙率太小，锂离子难以穿过 6）内部短路导致漏电流偏大 7）过充/过放导致正负极或隔膜严重损伤 8）鼓胀或漏液,4 电池的主要性能（2）,4.2 内阻的影响因素1）电解液电导率 2）隔膜孔隙率 3）正负极材料的导电性 4）正负极材料结构及其稳定性 5）涂布面密度及压实密度 6）电芯的卷绕结构，容量 7）虚焊 8）断片 9）鼓胀或漏液 10）盖帽内部脏污 11）内部短路,4 电池的主要性能（3）,4.3 电压
10、衰减1）烧极耳 2）内部微短路 3）过充过放，过流 4）鼓胀 5）保护板漏电流大,4 电池的主要性能（4）,4.4 鼓胀的影响因素1）电芯内部水含量高 2）外部短路 3）内部短路 4）过充，过放，过流 5）温度过高，导致电解液分解 6）封口不良，水汽进入 7）电解液严重不够,4 电池的主要性能（5）,4.5 起火/爆炸的主要原因1）内部短路（如圆柱电芯正极耳碰壁，封口短路等） 2）外部短路 3）过充，过放，过流 4）高温导致隔膜剧烈收缩 5）负极未包住正极,要点总结,1.曙鹏控制鼓胀的措施都有哪一些？ 1）设计方面 2）过程方面2.曙鹏控制起火/爆炸的措施都有哪一些？ 1）设计方面 2）过程方面,Thank you for your attention,
