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1、锂离子电池知识,浙江精极能源科技有限公司 柯 建2009年12月30日,锂离子电池,锂离子电池的诞生 电池行业中一些常见的术语锂电池展示锂离子电池的原理锂离子电池的基本结构 我司锂电池的原材料状况锂离子电池的基本工艺流程锂离子电池的基本性能我司锂电池的特点及应用说明电池检测标准我司锂电池安全测试项目有关成品电池的知识与组装的基本流程,锂离子电池的诞生,任何事物的诞生都有一定的背景。锂离子电池的产生同样也离不开这一点。20C 60、70年代发生的石油危机迫使人们去寻找新的替代能源。由于金属锂在所有金属中是最轻、氧化还原电位最低、质量能量密度最大，因此它成为了潜在的替代能源之一。同时，随着科学技术
2、的发展和人民物质文化生活的提高，特别是随着空间技术的发展和军事装备的需求，信息和微电子工业的迅猛发展带来了大量工业用、民用、医用和便携式电子产品的问世，以及环境保护意识的增强，人们对体积小、重量轻、安全可靠、无污染，可反复充电使用的电池的需求更加迫切。锂离子电池就是在这种形式下迅速发展起来的新兴高能二次电池。从理论上，与一般的原电池相比，锂离子电池有明显的优点：a.电压高：是一般Ni-Cd、Ni-MH的3倍b.储能密度高c.工作温度范围宽：一般能在2545（随着电解质和正极材料的改进，有望拓宽到4070）工作d.持续输出功率大（比功率大）e.放电平稳、循环性能优越，f.储存时间长，工作寿命长等
3、。,70年代末到80年代可以说是世界锂电池探索萌芽的十几年。到1991年，日本索尼公司率先推出第一块锂离子电池，并实现了商业化生产。1995年，人们发明了聚合物锂离子电池，1999年开始商品化生产。我们国家对锂离子电池产业的发展也非常重视，但从国内目前的发展状况而言，关键技术还是掌握在日本和美国手中。例如，隔膜材料：目前国内锂电池厂家仍需要进口（而日本宇部、旭化成，美国CELGARD、ENTEK都是掌握主要技术的厂家）。因此，我们要进一步参与国际竞争，必须在电池的原材料上有所新的突破。,电池行业中一些常见的术语,一次电池（primary battery）:只能进行一次放电的电池，不能进行充电而
4、再利用。二次电池（secondary battery）:可反复进行充电、放电而多次使用的电池，也叫蓄电池或充电电池（rechargeable）。正极（positive electrode）:cathode 放电时，电子从外部电路流入电位较高的电极。负极（negative electrode）:anode 放电时，电子从外部电路流出电位较低的电极。额定容量（rated capacity）:制造商标明的电量值C5mAh，即充满电的电池在20下以0.2C的标准实验电流放电到终止电压（2.75V）时所能放出的电量值。循环寿命（cycle life）:电池在一定条件下（200.2 C5）,反复充放电，当
5、电池容量等性能达到规定的要求以下时所发生的充放电次数（容量低于60%）。,内阻（internal resistance）:电池正极与负极之间的电阻，是集流体、电极活性物质、隔膜、电解液的电阻之和，理论上，其值越小性能越好。电池内阻是锂离子电池性能的重要参数。电池内阻的数值不仅影响了电池的功率特性、电池的放电倍率，同时也是电池内部结构特性的一个重要表征。标称电压（nominal voltage）:电池0.2 C放电时全过程的平均电压，是一个近似数值。（请问我们公司的锂电池的标称电压是2.75V、3.7V、4.2V？）放电平台（discharge curve）:放电平台是电池放电曲线的一个直接的表
6、征。即电池完全充电后，以一定速率的电流放电时，电压下降相对缓慢的那段时间。通常以1C放电至3.6V的时间表示放电平台。例如：锂电池的放电平台达48分钟以上，放电曲线很好。额定容量：指在环境温度为（20+5），以5小时率放电至终止电压时的容量，以C5+表示，单位为(Ah)或毫安时(mAh)放电容量（discharge capacity）:电池放电时所释放出的电荷量。放电深度（depth of discharge）:表示放电程度的一个量度。为放电容量与总放电容量的比值。自放电(self discharge)：是指电池在没有对外做功的情况下，其自身内部物质发生化学反应而致使电池能量（容量）损失的现象
7、。如自放电较大的电池往往表现为储存一段时间后出现低电压（或零电压）的现象。,圆柱形电池,方形电池,软包装电池,锂离子电池的原理,电极反应如下：正极：LiCoO2 Li1-xCoO2+xLi+x e-负极：6C+xLi+x e-LixC6 总的反应：LiCoO2+6CLi1-XCoO2+LiXC6 锂离子电池的正负极均采用可供锂离子（Li+）自由脱嵌的活性物质，当电池充电时，锂离子从正极进入溶液(电解液)转到负极中去，放电时锂离子又从负极进入溶液转入正极，锂离子进入电极的过程叫做嵌入，从电极出来的过程叫做脱嵌。,锂离子电池的基本结构,同所有的化学电源一样，锂离子电池也由正极、负极和电解液组成。但
8、为了使其性能更优越，更便于人们使用，于是我们现在的锂离子电池便在原电池的基础上增加了一些配件，如隔膜纸、壳体、盖板等。1.正极:电池反应的主体，主要反应活性物质为LiCoO2，电池反应过程中Li+的提供者，正极片是由LiCoO2粉末调成膏状涂覆在铝箔上烘干压制而成。,正极基体：铝箔（约0.020mm厚),正极物质：钴酸锂+导电剂+PVDF,正极集流体：铝带（约0.1mm厚）,2.负极：与正极匹配成为电池反应的另一个主体，主要反应活性物质为C，电池反应过程中Li+的接收者，负极片是由石墨粉末调成膏状涂覆在铜箔上烘干压制而成。,负极基体：铜箔（约0.015mm厚),负极物质：石墨+CMC+SBR,
9、负极集流体：镍带（约0.07mm厚）,3.隔膜纸：置于正极与负极之间起隔离作用，主要是防止正极与负极直接接触而导致电池内部短路。它可以让电解液中的锂离子自由穿过，但可防止电子穿透，从而起隔离作用。,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0.0160.020mm 三层一般为0.0200.025mm,4.电解液：电池反应过程中，作Li+来回移动的载体，一般采用LiF6作电解质溶解于EC/DMC/EMC等混合酯类物质中而形成有机电解液。,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20p
10、pm的手套箱内）。规格：溶剂组成 DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6浓度 1mol/l质量指标：密度（25）g/cm3 1.230.03 水分（卡尔费休法）20ppm 游离酸（以HF计）50ppm 电导率（25）10.40.5 mscm,5.壳体：电池反应系统的容器。目前，主要以钢壳和铝壳为基本壳体。,6.盖帽：主要由上盖、密封圈和铆钉组成。盖帽主要是起电池反应体系的密封和输出正负极电流的作用。,锂离子电池的工艺流程,锂离子电池的主要工序：,用专门的溶剂和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。,将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘
11、干，分别制成正、负极极片。,按正极片-隔膜-负极片-隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，再经过注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。,用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。,锂电池生产工艺流程图（方形）,正负极材料热处理,制程过程控制点1,潜在问题,通过高温除去材料中的杂质和水分,温度偏高正极材料结块温度偏低水分和杂质去除不干净，导致所有水分引起的题。,使各种原材料充分分散搅拌不均匀引起电池局部不均匀，可能导致电池的容量、内阻和循环寿命的异常甚至安全问题。搅拌过程中有杂质混入影响电池性能,搅拌,制
12、程过程控制点2,潜在问题,使浆料均匀地涂覆在基体表面并烘干拉浆厚度不稳定/拉浆机调试不到位引起电池的局部不均匀，可能导致电池的容量和循环寿命的异常甚至安全问题温度不稳定极片烘不干引起掉粉或过热影响极片的粘接性能,制程过程控制点 3,拉 浆,潜在问题,将极片上无效位置和极耳位置的覆料刮除刮粉尺寸不准造成电池装配难度增加，甚至使正负极根本无法吻合，引起电池的安全问题刮伤基体导致断片或形成毛刺，严重时会引起电池的安全问题,制程过程控制点 4,潜在问题,刮 粉,增加电极活性物质的密度并使表面平整压力不足，辊压厚度不到位装配困难，卷绕对位不准，严重时可能引起安全问题辊面不平整极片表面不光滑甚至有毛刺，引
13、起电池短路、自放电甚至出现安全问题,制程过程控制点 5,潜在问题,对 辊,按型号要求剪裁极片切口有毛刺引起电池短路、自放电甚至出现安全问题极片出现弧形装配困难，卷绕对位不准，严重时可能引起电池短路甚至安全问题,分 条,制程过程控制点6,潜在问题,使极片和极耳良好连接在一起铆接不牢电池内阻增大甚至无穷大,负极焊接,制程过程控制点7,潜在问题,使极片和极耳良好连接在一起虚焊电池断路或内阻偏大,正极焊接,制程过程控制点8,潜在问题,封住极耳部位可能存在的毛刺贴的位置不当，露出毛刺或贴住活性材料毛刺引起电池的短路或安全问题，正极活性物质被贴住会影响容量,正负极贴胶纸,制程过程控制点9,潜在问题,除去极
14、片中的水分温度过高极片变脆，引起极片掉粉或电池短路，导致电池自放电大甚至安全问题温度过低极片除水不净，导致电池容量低、内阻不稳定、循环差及尺寸异常,极片烘烤,制程过程控制点10,潜在问题,隔膜良好绝缘的基础上正负极良好地叠合正负极片对位不齐正极活性区域超出负极活性区域，具有安全隐患操作过程中隔膜受到损伤导致电池短路或自放电大，甚至引起安全问题,卷 绕、叠片,制程过程控制点11,潜在问题,将圆卷芯折成方形卷芯捏扁时位置不对使极耳偏离设计位置，引起套壳和盖板焊接困难,捏 扁,制程过程控制点12,潜在问题,使电池芯叠层紧密，方便套壳压力过大或过小压力过大易导致电芯压坏短路，压力过小使电芯压不到位，影
15、响下步操作,压 扁,制程过程控制点13,潜在问题,避免电池芯和壳体或盖板间的短路位置不当在电池受外界震动或碰撞时不能完全避免电池的内部短路，容易出现安全问题,贴上下胶纸,制程过程控制点14,潜在问题,将电芯完好无损地装电池壳中套破使电池短路或自放电大，具有安全隐患,套 壳,制程过程控制点15,潜在问题,使正极耳和盖帽良好连接在一起虚焊导致电池断路或内阻偏大,焊正极耳,制程过程控制点16,潜在问题,使负极耳和钢壳良好连接虚焊导致电池断路或内阻偏大,焊负极耳,制程过程控制点17,潜在问题,固定盖帽方便焊接虚焊或炸火虚焊会引起盖帽脱落，影响下步操作；炸火会导致外观不良,点盖板,制程过程控制点18,潜
16、在问题,使电池壳和盖帽无缝连接焊接功率不稳定容易出现焊接漏点，引起电池漏气或漏液焊接时有杂物炸火引起电池漏气或漏液并影响电池外观焊接定位不良导致电池焊接合格率低并影响电池外观,激光焊接,制程过程控制点19,潜在问题,检测激光焊接效果出现漏检或误检漏电解液液,检 漏,制程过程控制点20,潜在问题,除去电池中的水分温度失控温度偏高会损坏电池，温度过低会影响水分的去除，导致电池容量低、内阻不稳定、循环差及尺寸异常等问题抽真空时不达标真空度不够会影响电池中水分的去除,烘电池,制程过程控制点21,潜在问题,检出短路电池漏检或误检短路或微短路的电池都会出现自放电大的情况，严重时还会在充放电时出现爆炸,测短
17、路,制程过程控制点22,潜在问题,真空状态下定量注入电解液注液量不准注液量过多会导致电池漏液和鼓壳，过少会导致电池容量不足、内阻偏大、平台低及循环性差等问题注液时与外界隔离效果差容易导致电池内含水量增加，引起电池容量低、内阻大、平台低及循环性差等问题,注 液,制程过程控制点23,潜在问题,使电解液充分渗透储存时环境控制不好容易使电池吸水，引电池各项性能异常,储 存,制程过程控制点24,潜在问题,使电池在小电流的状态下活化电流和时间控制不好电池充电不到位引起后续判断不准甚至电池鼓壳预充前后时间控制不当会使电池内含水量增加，引起电池容量低、内阻大、平台低及循环性差等问题,预 充,制程过程控制点25
18、,潜在问题,检测电池的自放电情况电压测量不准对自放电电池检定出错，易在分容过程中出现爆炸的异常情况,测电压,制程过程控制点26,潜在问题,检测电池的容量电流和时间控制不好放电电流不准影响电池的分容准确度，出现误判现象恒压电压不准a、电压偏高会导致电池过充，影响电池性能和分容准确度，极端时可能出现爆炸b、电压偏低会导致电池充电不足，影响电池分容的准确度,分 容,制程过程控制点 27,潜在问题,检测电池的自放电情况温度对储存结果有影响,老 化,制程过程控制点28,潜在问题,清理电池表面抛光不良影响电池的外观定点抛光时间过长电池过热影响电池的各项性能,抛 光,制程过程控制点29,潜在问题,检测电池的
19、自放电情况测量不准有自放电较大电池混入下一工序，电池在使用过程中可能出现安全问题,测电压,制程过程控制点30,潜在问题,将电池荷电60%电压控制不准容易引起出货时的误判,反充电,制程过程控制点31,潜在问题,喷上电池的型号容量等，然后包装出货。,喷 码,制程过程控制点32,潜在问题,检测电池的自放电情况测量不准有自放电较大电池直接出货，在使用过程中可能出现安全问题,出货测电压,制程过程控制点33,潜在问题,锂离子电池的基本性能,锂离子电池作为二次电池，它具有二次电池的共性，目前，轻工行业、电子行业和通讯行业在评价一个二次电池性能时，往往从以下几个方面着手：（1）容量（2）标称电压（3）内阻（4
20、）放电平台（5）循环寿命（6）荷电保持能（7）安全性能（8）储存性能（9）高、低温放电性能（10）外观尺寸,（一）充放电条件限制：1.充电电流：1C 2.充电上限电压：(4.200.05)V 3.放电下限电压：(2.750.05)V 或(3.000.05)V 4.工作温度：充电 045 放电 20+25（二）储存环境要求：1.温度：三个月内 20+45 一年内 20+25 2.湿度：RH:（6520）%,（三）注意事项：1.不得将电池投入火中，或储存在高温的环境里。2.不要在充电器或设备里将电池正、负极直接连接。3.在运输、传送或储存过程中，不得有任何金属物品与电池混装，以免造成电池正负极短接
21、。4.不得有任何利器、重物撞伤电池外形结构。5.不得将电池淹没在水中，或让雨水弄湿，弄潮。6.不得将电池储存在有腐蚀性气体（或液体）的环境中。7.不得与废旧电池或NiMH 电池、CdNi电池混合使用。,电池检测标准,0.2C5A放电性能(20):满电后,以0.2C5A电流放电到终止电压2.75V，检测放电时间。5h1C5A放电性能(20):满电后,以1C5A电流放电到终止电压2.75V，检测放电时间。57min高温性能(552):满电后,将电池放入552的高温箱中恒温2h，然后以1C5A电流放电至终止电压2.75V，检验放电时间和目测外观。a)放电时间应不低于54min。b)该试验结束后，将电
22、池取出在环境温度205的条件下搁置2h,然后目测电池外观，应无变形、爆裂。,4.低温性能(202):充电后,将电池放入202的低温箱中恒温24h后,以0.2C5A电流放电至终止电压2.75V，检测放电时间和目测外观。a)放电时间应不低于4h。(容量可以保持在80%以上)b)该试验结束后，将电池取出在环境温度205的条件下搁置2h，然后目测电池外观，应无变形，无爆裂。5.荷电保持和恢复能力:充电后搁置28d，检测电池电压、荷电保持能力能力.荷电保持能力测试放电时间应不低于4.25h，电池电压不低于4.10V。6.循环寿命:300次 一级市场 400 Nokia 500,7.恒定湿热性能:充电结束
23、后，将电池放入402，相对湿 度为90%95%的恒温恒湿箱中搁置48h后，将电池取出在环境温度205的条件下搁置2h，目测电池外观。再以1 C5A电流放电至2.75V,检测放电时间。a)电池外观应无变形，锈蚀，冒烟或爆炸。b)放电时间应不低于48min。8.过充(3C/4.8V):电池充满电后,将其连接正负极于恒压电源，调节电流至3C5A电压为4.8V，然后对电池以3C5A充电，直到电池电压为4.8V，恒压2h。电池应不起火、不爆炸。,9.短路:电池充满电后,改为恒压充电，充电截止电流为10mA，最长充电时间不大于8h，停止充电。然后短路电池正负极(线路总电阻不大于10m)，保持两小时。电池应
24、不起火、不爆炸。10.贮存:电池放电完毕后,以1C5A充电0.5h，停止充电。然后在环境温度205，相对湿度45%85%的环境中贮存，贮存12个月后，检测放电时间.放电时间不低于4小时。(容量保持80%以上),11.持续充电:在环境温度205的条件下，以1C5A电流放电到终止电压2.75V。然后以1C5A充电，当电池端电压达到充电限制电压4.2V时，改为恒压充电，保持28d，停止充电。不泄漏、不泄气、不爆炸、不起火。12.高温贮存:满电后,将电池放于752烘箱中，搁置48h。不泄漏、不泄气、不爆炸、不起火。,电池安全测试项目,振动：电池充电到上限电压后，安装在振动台面上以1055Hz按X，Y，
25、Z三个方向振动30min,电池不起火,不爆炸,外观无明显变形,漏液.碰撞:电池充电到上限电压后,以每秒100米的加速度，每分撞击4080次，电池不起火,不爆炸,外观无明显变形,漏液.自由跌落：电池碰撞实验结束后，将电池样品从高度1000mm的位置跌落在水泥地面上的18mm厚的木板上，电池不起火,不爆炸。过充电：电池在环境温度205的条件下，1C，5V恒流恒压充电，电池不起火,不爆炸。过放：电池在环境温度205的条件下，以0.2C放电至终止电压后,外接30负载放电24H,电池不起火,不爆炸。,短路:正负极用30m 负载导线连接起来,电池不起火,不爆炸。重物冲击:电池放在冲击台面上,将10kg自1
26、米高度下冲击固定在夹具的电池,电池可以变形.电池应不起火,不爆炸.热冲击:电池放置于热箱中,温度以(5 2)/mm的速率升至150 2并保温30分钟,电池不起火,不爆炸。高温性能:电池充电到上限电压,放置在55 2高温箱中恒温2H,然后以1C电流放电至终止电压,放电时间应不低于51分钟,电池外观无变形,无爆裂.低温性能：电池充电到上限电压，将电池放在 20 2的低温箱中恒温16H24H后，以0.2C电流放电至终止电压，放电时间大于180分钟，电池外观无变形,无爆裂.聚合物电池充电到上限电压，将电池放在 10 2的低温箱中恒温16H24H后，以0.2C电流放电至终止电压，放电时间大于210分钟，电池外观无变形,无爆裂.荷电保持能力：电池充电到上限电压，放置在20 5条件下，将电池搁置28天，以0.2C放电至终止电压，其放电时间应大于4.25H,精 益 求 精 登峰造极,我们一起努力,
