锂电池基础知识汇总.课件.ppt

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1、锂离子电池基础知识 河南环宇锂电事业部河南环宇锂电事业部 电池术语开路电压开路电压：电池开路时，正负极之间的电位差叫开路电压 标称电压标称电压：为标明电池或电池组电压所取的电压近似值。电池的内阻电池的内阻：电流通过电池内部所受到的阻力叫电池内阻。电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻。电池的容量电池的容量：电池的容量是指在一定放电制度下，电池所能给出的电量，其单位为安培小时，简称安时，亦可用毫安时表示。（mAh、Ah=1000mAh）。计算方法：放电电流（mA或A）*放电时间（小时） 电池的容量可分为：可分为理论容量、标称容量、设计容量、额定容量和实际容量。放电平台放电平台：放电平台是电池完全充电后，

2、在任何倍率的放电电流下下放电至一定电压（一般3.6V）时的放电时间。是衡量电池好坏的重要标准。自放电率自放电率：又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。放电倍率放电倍率：放电倍率是以放电电流强度在数值上等于该电池额定容量的倍数来表示的放电速率，单位为倍率。通常以字母ItA或C表示。如电池的标称额定容量为600mAh时，600mA为1C（1倍率），300mAh则为0.5C,6A(600mAh)为10C.以此类推.放电电流=放电倍率*额定容量 充电终止电压充电终止电压：电池充电所允许的最高电压叫充电终止电压。放电终止电压放电终止电压：电池放电时，电压下降到不

3、宜再继续放电的最低工作电压称为放电终止电压。电池短路：电池短路：电池短路可分内部短路和外部短路，电池内部两电极间形成的电子导电，称为电池短路或叫电池内部短路。电池内部短路往往导致电池的报废。电池外部短路：电池正负极集流端子之间的负载电阻与电池内阻相比可忽略不计，这种情况叫电池外部短路。 电池种类划分一次电池小型二次电池：镍镉、镍氢、锂离子等铅酸电池动力二次电池：镍镉、镍氢、锂离子等燃料电池太阳能电池-地面光伏发电其他新型电池1、电池盖、极耳2、正极活性物质为氧化钴锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、磷酸铁锂等3、负极活性物质为碳4、隔膜一种特殊的复合膜5、有机电解液、凝胶电解液6、电池壳、铝塑包装膜1

4、、锂离子电池结构图2、锂聚合物结构图三、锂离子电池的工作原理 锂离子电池的正极材料是含锂的金属氧化物构成，负极一般是碳。当电池充电时，电池正极上的锂离子，经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到碳层中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在电池充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以锂离子电池又叫摇

5、椅式电池。 四、锂离子电池的优、缺点 优点（1）工作电压高（2）比能量大（3）循环寿命长（4）自放电率低（5）无记忆效应（6）无污染 缺点（1）电池成本高原材料价格高 （2）安全性差有机电解液体系应用，电池的滥用都会引发电池安全问题 （3）为避免电池安全问题，电池应用时必须加装保护线路几类二次电池的电性能和经济性能的分析几类二次电池的电性能和经济性能的分析项目项目铅酸电池铅酸电池镍镉电池镍镉电池镍氢电池镍氢电池钴锂电池钴锂电池锰锂电池锰锂电池铁锂电池铁锂电池体积密度体积密度64wh/l75 wh/l170 wh/l320 wh/l200 wh/l180 wh/l质量密度质量密度27wh/kg5

6、0 wh/kg70 wh/kg150 wh/kg110 wh/kg90 wh/kg循环寿命循环寿命25010007506002501500自放电率自放电率5%/月月20%/月月30%/月月5%/月月10%/月月5%/月月安全性能安全性能很好很好很好很好较好较好较差较差较好较好很好很好低温性能低温性能好好很好很好较好较好较差较差较差较差差差高温性能高温性能较好较好很好很好好好较差较差很差很差很好很好倍率放电倍率放电好好很好很好较好较好好好好好差差环境环境污染严重污染严重污染严重污染严重无污染无污染无污染无污染无污染无污染无污染无污染七、动力圆柱锂离子电池 动力型18650锂离子电池(1200MA

7、H),通过选用特殊的正极磷酸铁锂以及高导电的电解液，通过调整电池结构，可以在10倍率条件下高倍率使用,专用于电动工具或其它需大倍率放电器具。 根据UL，CE等安全认证标准，我们做了冲撞、过充、短路、钉穿及130高温冲击实验，甚至在一些不当使用条件下，电池均能安全使用。动力锂离子圆柱电池不同倍率放电情况 0.5C1C5C7C10C1#134113511353133912552#128012861285126211951# 1C/0.5C= 100.7% 5C/0.5C=100.9% 7C/0.5C=99.9% 10C/0.5C=93.1% 2# 1C/0.5C=100.5% 5C/0.5C=10

8、0.4% 7C/0.5C=98.6% 10C/0.5C=93.4%v磷酸铁锂以铁、磷为原料，其来源丰富,价格低廉, 被认为是动力锂离子电池首选正极材料v磷酸铁锂放电平台3.23.3V,低于钴酸锂、锰酸锂3.63.7V，但其放电平台更平稳v磷酸铁锂具有优良的大电流放电特性，可承受7C的连续放电及20C以上的瞬间放电。vLiFePO4以其在价格、安全性、热稳定性及大倍率放电性等方面的特性，决定了其在动力用锂离子电池领域有着无法比拟的优势，有着极大的市场空间。v荷电态150高温冲击温升数据图热箱测试曲线图0501001502000510152025303540455055606570时间(min)温

9、度(0C)电池温度环境温度l3C10V过充电压电流温升曲线图Current(A), Voltage(V), Temperature (C)_1 vs. Test_Time(s)0510152025303500.0004500.0005500.000Test_Time(s)Current(A),Voltage(V)020406080100Temperature (C)_1Current(A) Voltage(V) Temperature (C)_1 v0.5C充1C放循环寿命曲线图4000500060007000800090001000011000120001300014000110020030

10、0400500循环次数Q/mAh高温放电容量常温放电容量11.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.84012345678910111213放电容量(Ah)电压(V)1C放电3C放电5C放电7C放电10C放电l不同倍率放电电压图关于锂电保护线路w根据锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正常反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学非正常反应,该反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用

11、于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。 锂离子保护线路全解剖 w Fuse电池正极R1 保护IC标识电阻锂离子电芯R2Mosfet 电池负极w一般用户接触到手机锂离子电池,在外面看到的除了电池外壳,还有就是几个五金触片了,如图中“电池正极,电池负极”就是的电池正负极输出。w而实际真正供电的源泉是电池塑料壳里面的锂离子电池芯,但是由于锂离子电芯的“娇嫩”的特性,比如过充和过放,大电流放电,短路等非常规动作都会对锂离子电芯造成极大的伤害.所以保护线路的功能就是在上述非常规动作发生时及时的切断回路。保护锂离子电芯，而这些保护动作就是图中的保护IC来判

12、断,由它来控制一对Mosfet场效应管来导通和切断主供电回路,对锂离子电芯进行保护。w有了如此完备的保护线路，但是这并不是意味着用户可以随意的滥用锂离子电池，同样有许多的地方是需要注意的。下图是根据锂离子电池电压根据实际使用划分的几个区域 。w =高压危险区-保护线路过充保护电压 (4.2754.35V) 高压警戒区-锂离子电池充电限制电压4.20V正常使用区-锂离子电池放电终止电压 (2.753.00V)低压警戒区-保护线路过放保护电压 (2.32.5V)低压危险区=w1.在正常使用区内.锂离子电池可以正常发挥其特性,也没有危险.w2.高压警戒区.虽然这个区域处于保护线路的保护范围之内,并不

13、意味着此时锂离子电池也是安全的.长期处于这种程度的过充,会很快的降低电池的循环寿命.w3.低压警戒区.处于该区域的锂离子电池不适合快速充电,要先用小电流将电池电压提升到3.0V以上才可以快速充电.否则容易导致锂离子极性材料发生不良反应,影响电池性能.而这个电压的锂离子电池也非常容易因为电池本身的自耗和锂离子保护线路的自耗很快的掉近低压危险区.那就危险了.而且这个自耗是保护线路无法保护的. w4.低压危险区,长期处于低压危险区的锂离子电池,性能将近一步恶化.在低电压(小于2V)或更低的电压情况下,正极材料的钴锂酸晶格发生变化,其晶体机构会以枝晶形式生产.这种枝晶发展长大的话会戳穿正负极的隔膜,导

14、致电池微短路.进一步恶化电池的性能.甚至导致电池发生膨胀,彻底报废.w5.高压危险区.此时保护线路已经失效,或者根本没有保护线路.在这个区域的锂离子电池(特别是4.8V以上),锂离子内部会发生剧烈的反应,产生强大的热量,导致电池内压正极,使电芯变形,不同于低度过充,这种变化是一次性的,即一次高度过充就可以造成电池发鼓.甚至爆炸.w锂电池保护电路只是对锂电池的某些使用状况进行保护，还有一些状况无法进行保护，如：锂电池内部短路，常时间大电流放电，使用环境温度过高或过低等，因此对使用锂电池的设备也提出了相应的要求，特别是充电器，劣质的充电器同样可以导致电池的损坏，因此对于锂电池的保护是一个系统的概念

15、，只有用电设备、电池保护电路、充电设备等相关设备协调配合，才能保证锂电池的合理使用。在电池组中是把多个电池串联起来， 得到所需要的工作电压。 如果所需要 的是更高的容量和更大的电流，那就 应该把电池并联起来。另外还有一些 电池组，把串联和并联这两种方法结 合起来。一个膝上型电脑的电池有可 能是把四节3.6V锂离子电池串联起来， 总电压达到14.4V；然后，再把两组串联在一起的电池并联起来，这样，电池组的总电量就可以从2000毫安时提高到4000毫安时。这种接法称作“四串两并”，它的意思是：把两组由四节电池串联在一起的电池组并联起来。电池包通常由一个或几个电池组并联，每个电池组由3到4个电池串联

16、构成。这种组合方式能同时满足笔记本电脑、医疗设备、测试仪器及工业应用所需的电压和功率要求。然而，这种应用普遍的配置通常并不能发挥其最大功效，因为如果某个串联电池的容量与其它电池不匹配将会降低整个电池包的容量。 当电池包中的电池不均衡时，它的可用容量将减少，串联电池包中容量最低的电池将决定电池包的总容量。在不均衡电池包中，一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时，未完全充电的电池又会比其它电池先放完电，使电池包因电压不足而提前停止供电。串并联电池必须考虑所选用的电池的内阻、容量以及放电平台尽可串并联电池必须考虑所选用的电池的内阻、容量以及放电平台尽可能地一致。才能保证电磁

17、炮发挥出最佳的性能。能地一致。才能保证电磁炮发挥出最佳的性能。当然我们如果采用电池均衡管理系统，充电时当电池组中任意一只电池电压达到设置的恒定电压时，充电回路自动减小对该只电池的充电电流，而对其它电池继续充电，从而实现电池组中各只电池的能量达到均衡，并保证电池组中每只单体电池电压不超过设置的恒定电压。 当电池充满时，均充保护模块可发出请求信号，请求充电器关断充电回路。在长期使用过程中它就能保证 各单体电池之间的差异处于最佳状态，那吗 就能延长电池使用寿命。放电时，当电池 组中任何一只电池电压低于下限时，模块 可自 行关断放电回路，确保电池组安全。 可以在串联电池出现充电损耗或容量损耗 时增加锂

18、电池系统的可用容量，同时可提 高电池包的使用寿命。 通信及便携式工具用锂离子电池通信及便携式工具用锂离子电池应用领域应用领域 锂离子电池广泛应用于3C 产品 个人电脑 移动电话 便携式CD机 PDA之类的个人无线电子设备Li-ion Battery锂离子动力电池主要应用方向 产品主要应用于电动自行车、电动滑板车、海上电动游艇、电动摩托车、电动汽车等动力车辆以及电动工具等。由于全球环保、能源及安全问题越来越受到重视和关注，所以，高档动力能源消费也必然要求配套高档、环保、安全、能量更大，使用更为方便的聚合物动力锂离子电池。 使用锂离子电池的便携式电源 新推出使用锂离子电池的便携式电源，可广泛用于数

19、码摄像机、数码照相机、手机、MP3、PDA等多种数码产品。 配备了五大品牌的主流产品的手机插头 。 开放的USB标准电压接口，方便用USB接口供电的产品的使用 。 最高达12000mAh的容量，至少是手机电池的15倍以上容量 。 人性化的便携设计，方便携带及使用。 使用磷酸铁锂动力锂离子聚合物电池的电动车电池包 良好的比能量、续航能力和加速能力。良好的比能量、续航能力和加速能力。胶状电解质没有漏液危险；胶状电解质没有漏液危险； 胶状电解质有较高的离子导电性和较胶状电解质有较高的离子导电性和较宽电位，能承受较大负载；宽电位，能承受较大负载； 胶状电解质还有易薄膜成形、柔软、胶状电解质还有易薄膜成

20、形、柔软、有弹性等优点，使聚合锂离子电池能有弹性等优点，使聚合锂离子电池能配合产品要求，做成任意形状；配合产品要求，做成任意形状； 内部构造简单，可用铝塑材料来制造内部构造简单，可用铝塑材料来制造电池壳体，比一般采用液态电解质充电池壳体，比一般采用液态电解质充电电池的金属壳体要轻的多、薄的多。电电池的金属壳体要轻的多、薄的多。由于动力磷酸铁锂聚合物电池一般采用多只并串联使用，为了更好地发挥电池性能，建议采用均衡充电方式，确保每只电池能发挥最佳。充电方式恒流恒压，恒流一般采用0.2C，如要求快充可采用0.5C。充电电压建议3.65V恒压。放电截至电压2.0V。放电电流最好不超过2C。瞬间允许达到5C。超过5C长时间放电会严重影响电池性能。电池在较低温度使用时容量会发挥不好。单只动力聚合物电池由于采用了优良的磷酸铁锂作为正极活性物质，与钴酸锂电池的工作电压不同，电池的标称电压只能达到3.2V，作为电动车电源需要多只串联后达到应用电压，一般情况推荐24V的电动车采用8只串联。36V 电动车采用11只串联。