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锂离子电芯概述

 

1.1锂离子电池电化学反应原理

 锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLIB)两类。其中,液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。

    正极采用锂化合物LiCoO2LiNiO2LiMnO4,负极采用碳、石墨C

电解质为溶解有锂盐LiPF6LiASF6等有机溶液。

1.2锂离子电池特性

锂离子电池工作电压高(3.7V,是镉—镍、氢—镍电池的三倍)、体积小(比氢—镍电池小30%)、质量轻(比氢—镍轻50%)、比能量高(180wh/Kg400wh/l是镉—镍电池的2~3倍,氢—镍电池的1~2倍)、无记忆效应、无污染、自放电小(≦8%每年,循环寿命长≧500次)。

1.3锂离子电池的发展简史

锂离子电池研究始于20世纪80年代,1990年日本Nagoura等人研制成以石油焦为负极,LiCoO2为正极的锂离子二次电池;同年,MoLiSony两个电池公司宣称将推出的碳为负极的锂离子电池。1991年,日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了一种的聚糖醇热解碳(PFA)为负极的锂离子电池。

1993年,美国Bellcore(贝尔电讯公司)首先报导了采用PVdF工艺制造成聚合物锂离子电池(PLIB)。

1.4电池内阻

电池内阻有欧姆电阻(RΩ)和电极在电化学反应时所表现的极化电阻(Rf)。欧姆电阻、极化电阻之和为电池的内阻(Ri)。欧姆电阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。隔膜电阻是当电流流过电解液时,隔膜有较微孔中电解液所产生的电阻RM

       RMs·J

          式中  RM——隔膜电阻;

                ρs——溶液比电阻;

                J——表征隔膜微孔结构的因素等。

1.5开路电压和工作电压

    开路电压是外电路没有电流流过时电极之间的电位差(Ucc),一般开路电压小于电池电动势。工作电压(Ucc)又称放电电压或负荷电压,是指有电流通过外电路时,电池两极间的电位差。工作电压总是低于开路电压,因为电流流过电池内部时,必须克服极化电阻和欧姆内阻所造成的阻力。

1.6放电电流

放电率指放电时的速率,常用“时率”和“倍率”表示,时率是指以放电时间(h)表示的放电速率,即以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数。例如,电池的额定容量为30Ah/2A=15,称电池以15小时率放电。

“倍率”指电池在规定时间内放出其额定容量所输出的电流值,数值上等于额定容量的倍数。例如,2“倍率”的放电,表示放电电流数值为额定容量的2倍,若电池容量为3Ah,那么放电电流用为2×3=6A,也就是2“倍率”放电。换算成小时率则是3Ah/6A=1/2小时率。

1.7电池的能量和比能量

   电池在一定条件下对外作功所能输出的电能叫电池的能量,单位一般用Wh表示。

1.7.1实际能量

电池放电时实际输出的能量称为实际能量。

           W=C·U

式中 W——实际能量;

     U——电池平均工作电压。

1.7.2比能量

单位质量或单位体积的电池所给出的能量,称质量比能量或体积比能量,也称能量密度。比能量也分理论比能量Wˊ和实际比能量Wˊ。

实际比能量是电池实际输出的能量与电池质量(或体积)之比,即

                   C·U              C·U

          Wˊ=            Wˊ=

                     m                 V

 

式中 m——电池质量,Kg

          V——电池体积,L

1.8电池寿命

   第一次电池的寿命是表征给出额定容量的工作时间(与放电倍率大小有关)。二次电池的寿命分为放电循环使用寿命和湿搁置使用寿命。

   蓄电池经历一次充放电,称一个周期。在一定的放电制度下,电池容量降至规定值之前,电池所经受的循环次数,称使用周期。

   影响蓄电池循环使用寿命的主要因素有:在充放电过程中,电极活性物质面积减小,使工作电流密度上升,极化增大;电极上活性物质脱落或转移;电极材料发生腐蚀;电池内部短路;隔膜损坏和活性物质晶型改变,活性降低。

电池使用指南

认真阅读下面的注意事项,确保正确使用锂离子电池。博能新能源有限公司对违反下述注意事项而产生的任何问题不予负责。

    险!

 

不仔细阅读下述事项可能导致电池泄露、爆炸或起火。

— 勿将电池投入水中或将其弄湿;

— 勿在热源(如火或加热器)附近使用或贮存电池;

— 请使用原厂充电器;

— 勿将正负极接反;

— 勿将电池直接连接到墙上插座或车载点烟式插座上;

— 勿将电池投入火中或给电池加热;

    禁止用导线或其它金属物体将电池正负极短路,禁止将电池与项链、发夹或其它金属物体一起

运输或贮存;

— 禁止撞击、投掷或者使电池受到机械震动;

— 禁止用钉子或其它尖锐物体刺穿电池壳体,禁止锤击或脚踏电池;

禁止直接焊接电池端子;

禁止以任何方式分解电池;

    禁止在火源或极热条件下给电池充电。

   

 

不仔细阅读下述事项可能导致电池泄露、爆炸或起火。

禁止将电池置入微波炉或压力容器中;

    禁止与一次电池(如干电池)或不同容量、型号、品种电池组合使用;

    如果电池发出异味、发热、变形、变色或出现其它任何异常现象时不得使用;如果电池正在使用或充电,应立即从用电器中或充电器上取出并停止使用;

电池应放在小孩接触不到的地方,如果小孩不小心吞咽电池 应立即寻求医疗救助;

如果电池泄漏或发出异味,应立即将其从接近明火处移开;

泄漏的电解液可能引起火灾或爆炸;

如果电池漏液后电解液进入眼睛,不要擦,应用水冲洗,立即寻求医疗救助。如不及时处理,眼睛将会受到伤害。

   

 

不要使用处于极热环境中的电池,如阳光直射或热天的车内。否则,电池会过热,可能着火(点燃),这样就会影响电池的性能、缩短电池的使用寿命。

只能在下述条件下使用电池,否则将会降低电池的性能或缩短电池的使用寿命。在此温度范围外使用电池可能引起过热、爆炸或起火。

工作环境:

充电:0~45

放电: -20~60

储存30天:-20~45

储存90天:-20~35

当小孩使用电池时,需要按用户说明书的内容教他们,并密切注意他们确保正确使用电池。

如果电池漏液,电解液弄到皮肤或衣服上,立即用流动的水清洗受影响区域,否则可能导致皮肤发炎。

阅读用电池的装置说明书,正确进行电池的安装与拆卸。

如果设备长期不用,将电池取出并放置在凉爽、干燥的地方,否则,电池可能生锈或性能变差。

如果电池的端子变脏,使用前用干布擦干净。否则电池会接触不良,从而引起能量损耗或无法充电。

锂离子电芯部件

1 正极

正极材料可分为以下几种:

1.1 正极活性材料:能够提供能量的材料,一般为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂等。

 

LiCoO2

LiMn2O4

LiFePO4

理论容量

274mAh/g

148mAh/g

154mAh/g

实际容量

140 mAh/g

110mAh/g

120mAh/g

 

 

1.2 正极导电材料:能够提高正极活性材料导电能力的材料,一般为碳黑类材料,本身不提供能量。

1.3 正极粘接材料:能够将正极活性材料与集流体紧密粘接的材料,一般为聚偏氟乙烯类材料,本身不提供能量。

3.1.4 正极集流体:能够将正极活性材料的电能收集并输送到极耳进而输送到电池外部的材料,主要为铝箔、铝网。

 

2 负极

负极材料可分为以下几种:

2.1 负极活性材料:能够提供能量的材料,一般为石墨类、锂金属、氧化锡等材料。

 

 

FSN-1

MCP-M12

天然石墨

理论容量

372mAh/g

372mAh/g

372mAh/g

实际容量

340 mAh/g

310mAh/g

350mAh/g

2.2 负极导电材料:能够提高负极活性材料导电能力的材料,一般为碳黑类材料,本身不提供

2.3 负极粘接材料:能够将负极活性材料与集流体紧密粘接的材料,油系一般为聚偏氟乙烯类材料,水系一般为丁苯胶乳,本身不提供能量。

2.4 负极集流体:能够将负极活性材料的电能收集并输送到极耳进而输送到电池外部的材料,主要为铜箔、铜网。

3 电解液

电解液在电池中作为能量传递的载体。锂离子电池电压高达3.0~4.2V,因此,电解质只能用有机溶剂,而不能用水溶液电解质(水的分解电压为1.23V)。

锂离子电池常用的锂盐有LiPF6LiBF4LiClO4,有机溶剂有PC(碳酸丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、BC(碳酸丁烯酯)、DMC(二甲基碳酸酯)、DEC(二乙基碳酸酯)、MEC(甲基乙烯碳酸酯)等。

用于锂离子电池的电解液要有以下特点:电导率高、化学及电化学稳定性高、可使用温度范围宽、安全性好、廉价等。
 

4 隔膜

隔膜的作用是将电池正负极隔开,防止两极直接短路。隔膜本身不导电,但电解质离子可以通过。隔膜必须具备以下性能:

电绝缘性好;

对电解质离子有很好的透过性,电阻低;

对电解质具有化学稳定性和电化学稳定性;

对电解质湿润性好;

具有一定的机械强度,厚度尽可能薄。

锂离子电池一般采用聚烯烃系树脂。常用的隔膜有PPPE微孔隔膜,聚丙烯微孔膜等。

隔膜的物理特性主要有结构、厚度、气孔率、通气度、扎刺强度等。

5 极耳

极耳的主要作用是将内部正负极的电能传递到外部电路。

钢壳、铝壳电池极耳分内极耳和外极耳两部分,与正极片连接的内极耳主要是铝带,与负极片连接的内极耳主要是镍(铝镍复合)带;通过铝、镍带再与外部金属壳帽连接,从而达到将内部电能传递到外部的作用。外极耳主要是金属壳帽。钢壳电池壳为负极,帽为正极;铝壳电池壳为正极,帽为负极。

聚合物电池极耳为铝带、镍带,考虑到与铝塑包装膜的密封,故在密封处极耳上带有一层极耳胶。为保证密封效果,极耳胶材质与包装膜内层材质基本一致,主要是PE类物质。

 

6 包装壳

锂离子电池不能有水分,故包装壳必须是隔水材料。

液态电池采用铝壳或钢壳等金属壳包装,其外包装主要有以下部分:外壳、绝缘体、垫圈、排气孔、防爆阀。

聚合物电池采用铝塑复合膜包装,其至少分三层:中间层为铝层,起隔绝水分作用;外层为胶层(ON),起保护铝不被外部环境氧化的作用;内层为胶层(PE),起密封并防止电解液腐蚀铝层的作用。该铝塑膜采取冲压成型,制成需要的外壳形状。铝塑膜包装耐压能力较金属壳电池要差得多,电池内部短路等很容易造成气胀现象,严重者封口处会开裂。也正因为此,采取铝塑膜包装的电池安全性能要优于金属壳类电池。

 

充电电池简介

1充电电池的种类

1.1镍镉电池(Ni-Cd

电压:1.2V     使用寿命:500   1                                                         放电温度为:-20度~60          充电温度为:0度~45
备注:耐过充能力较强,国家已禁止生产。

1.2镍氢电池(Ni-Mh
电压:1.2V                       使用寿命为:1000
放电温度为:-10度~45         充电温度为:10度~45
备注:目前最高容量是2100mAh左右,大部份厂家已停产。

1.3锂离子电池(Li-lon
电压:3.6V                       使用寿命为:500
放电温度为:-20度~60         充电温度为:0度~45
备注:重量比镍氢电池轻30%40%,容量高出镍氢电池60%以上。但是不耐过充,如果过充会造成温度过高而破坏结构=>爆炸。

1.4锂聚合物电池(Li-polymer

电压:3.7V                       使用寿命为:300

放电温度为:-20度~60         充电温度为:0度~45

备注:锂电的改良型,没有电池液,而改用聚合物电解质,可以做成各种形状,比锂电池稳定。

1.5铅酸电池(Sealed

电压:2V                       使用寿命为:200300

放电温度为:0度~45         充电温度为:0度~45

备注:就是一般车用电瓶(它是以62V串联成12V的),免加水的电池使用寿命长达10年,但体积和重量是最大的。


2电池充电的名词解释

2.1充电率(C-rate)

  CCapacity的第一个字母,用来表示电池充放电时电流的大小数值。

例如:充电电池的额定容量为1100mAh时,即表示以1100mAh1C

放电时间可持续1小时,如以200mA0.2C)放电时间可持续5小时,

充电也可按此对照计算。

  2.2终止电压(Cut-off discharge voltage

指电池放电时,电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。

根据不同的电池类型及不同的放电条件,对电池的容量和寿命的要求也不同,因此规定的电

池放电的终止电压也不相同。

  2.3开路电压(Open circuit voltage OCV

电池不放电时,电池两极之间的电位差被称为开路电压。

电池的开路电压,会依电池正、负极与电解液的材料而异,如果电池正、负极的材料完全一

样,那么不管电池的体积有多大,几何结构如何变化,开路电压都一样的。

2.4放电深度(Depth of discharge DOD

在电池使用过程中,电池放出的容量占其额定容量的百分比,称为放电深度。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系,当二次电池的放电深度越深,其充电寿命就越短,因此在使用时应尽量避免深度放电。

2.5过放电(Over discharge
电池若是在放电过程中,超过电池放电的终止电压值,还继续放电时就可能会造成电池内压升高,正、负极活性物质的可逆性遭到损坏,使电池的容量产生明显减少。

  2.6过充电(Over charge

电池在充电时,在达到充满状态后若还继续充电,可能导致电池内压升高、变形、漏夜等,

电池的性能也会显著降低和损坏。

  2.7能量密度(Energy density

电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。一般在相同体积下,锂离子电池的能量密度是

镍镉电池的2.5倍,是镍氢电池的1.8倍,因此在电池容量相等的情况下,锂离子电池就会

比镍镉、镍氢电池的体积更小,重量更轻。

2.8自我放电(Self discharge

电池不管在有无被使用的状态下,由于各种原因,都会引起其电量损失的现象。若是以一个月为单位来计算,锂离子电池自我放电约1%-2%、镍氢电池自我放电约3%-5%

2.9充电循环寿命(Cycle life

充电电池在反复充放电使用下,电池容量会逐渐下降到初期容量的60%-80%

2.10记忆效应(Memory effect

在电池充放电过程中,会在电池极板上产生许多小气泡,时间一久,这些气泡会减少电池极板的面积,也间接影响电池的容量。

3充电电池充放电基本要求

3.1新买的充电电池要充电8-12小时?

不论任何电池都有自我放电的特性,所以当新充电电池到你手中时,这中间可能充电电池已经经过了一段时间的自我放电了。这就是充电电池内部的化学原料已经历一段时间没有使用,出现钝化状态,无法充分发挥化学反应,提供足够的电压。在这种情况下,第一次使用充电电池时,一定要将充电电池充满,让电压恢复到原有的水平。事实上,如果你的充电电池长时间没有使用,也一样会产生这种钝化现象,而且情况会更严重。最好能对充电电池进行3次充放电的过程,将有助充电电池的活化作用。让充电电池内部的化学物质可以充分发挥应有的效果(镍镉电池)。有时新购买的充电电池,放进充电器的时候,会在还没充饱电之前充电器就停止充电了。当遇见这种问题的时候,你只要将充电电池移开充电器,然后再放进充电器继续充电。这对于新充电电池是很正常的现象,不是你购买到不良的充电电池(镍氢、锂离子电池)。一般来说对充电的时间不能太久,最多12小时就足够,如果一旦过充电就会对充电电池造成损坏。

3.2如何计算充电时间?

充电时间(小时)=充电电池容量(mAh/充电电流(mA*1.5的系数,假如你用1600mAh的充电电池,充电器用400mA的电流充电,则充电时间为:1600/400*1.5=6小时(注意:这种方法不适用新购买或长期未使用的充电电池)

3.3镍氢充电电池和锂离子充电电池其实也是有记忆效应,使用起来真的不用放电吗?
其实上镍氢充电电池和锂离子充电电池的记忆效应是十分轻微的,并不值得我们去注意它。
(请注意看到这里时,就不要利用充电器的放电功能对镍氢充电电池和锂离子充电电池进行放电动作,尤其是锂离子充电电池,由于本身的材质因数,并不允许电池本身能够承受充电器的强制放电。如果你硬要对锂离子充电电池进行放电,最终将导致电池损坏。)另外,你使用需放电的镍镉充电电池,那么建议你,不论使用电池的次数是否频繁,最好每隔两、三个月左右就对镍镉充电电池进行一次充放电,这样可以确保镍镉充电电池的记忆效应对电

池的影响减到最低状态。

 
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