锂离子电池基础知识 (2)精选课件.ppt
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1、关于锂离子电池基础知识(2)第一页,本课件共有120页第二页,本课件共有120页第三页,本课件共有120页摘要1 锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况2 锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性3 锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的应用与发展前景4 锂离子电池材料锂离子电池材料第四页,本课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂锂是金属中最轻的元素,且标准电极电位为是金属中最轻的元素,且标准电极电位为-3.045V,是金属元,是金属元素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在TiS2和和MoS2等嵌等嵌入化合物中嵌入或脱嵌。入化合
2、物中嵌入或脱嵌。锂离子电池锂离子电池:分别用二个能可:分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池工作的独特机理的锂离子电池形象地称为形象地称为“摇椅式电池摇椅式电池”,俗称俗称“锂电锂电”。第五页,本课件共有120页电子技术的发展,对高比能量的移动电源需求量加剧电子技术的发展,对高比能量的移动电源需求量加剧。锂离子电池是一种理想的可移动电源,具有体积小,。锂离子电池是一种理想的可移动电源
3、,具有体积小,重量轻,放电电压高,比能量大等优点。自从重量轻,放电电压高,比能量大等优点。自从1990年年SONY公司推出世界上第一只锂离子电池,到公司推出世界上第一只锂离子电池,到2001年为止,整年为止,整个市场每年约个市场每年约4亿只该类电池用于纯消费类电子产品。便亿只该类电池用于纯消费类电子产品。便携式摄像机、移动电话、手提电脑等携式摄像机、移动电话、手提电脑等95以上使用锂离子以上使用锂离子二次电池作为主要电源。二次电池作为主要电源。1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况第六页,本课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的历史锂离子电池的历史第七页,本
4、课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的优点锂离子电池的优点1、高能量密度高能量密度:100Wh/Kg以上,为镍镉电池的三倍,镍氢电池的两倍;以上,为镍镉电池的三倍,镍氢电池的两倍;2、电压平台高电压平台高:3.6V,镍基电池为,镍基电池为1.2V;3、低温下工作优低温下工作优:在:在-2060的温度范围内工作,低温下的工作优于其它电池的温度范围内工作,低温下的工作优于其它电池;4、低维护性低维护性:没有记忆效应,无需定期放电,最理想的保存方式,就是在:没有记忆效应,无需定期放电,最理想的保存方式,就是在40%充充电后冷藏保存,可以保存达十年之久电后冷藏保存,可以
5、保存达十年之久;5、低自放电率低自放电率:约:约6/月;月;6、长循环寿命长循环寿命(1000次,次,100DOD);7、环保环保:无重金属,无污染。:无重金属,无污染。第八页,本课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的优点锂离子电池的优点镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比 第九页,本课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的缺点锂离子电池的缺点1、安全性能问题安全性能问题:需复杂的保护线路;:需复杂的保护线路;2、放电倍率低放电倍率低:1C2C;3、易于老化易于老化:存储的锂离子电池照样会容量衰竭;:存储
6、的锂离子电池照样会容量衰竭;4、价格昂贵价格昂贵。第十页,本课件共有120页一般认为,锂离子电池起火爆炸是由于其一般认为,锂离子电池起火爆炸是由于其内部化学原理内部化学原理和和成成分导致的。由于人们想分导致的。由于人们想在单位密度中储存更多的能量,这就导致了锂离子电池中碳、氧和易燃液体的含量不断在单位密度中储存更多的能量,这就导致了锂离子电池中碳、氧和易燃液体的含量不断增加。与此同时除了正极、负极以及隔离膜之外,锂离子电池内部还充满了一种非常易增加。与此同时除了正极、负极以及隔离膜之外,锂离子电池内部还充满了一种非常易燃的液体燃的液体锂盐类电解质。电池充电时,负极的锂离子向正极移动,电池在使用
7、过程中,锂锂盐类电解质。电池充电时,负极的锂离子向正极移动,电池在使用过程中,锂离子又回到负极以提供能量。在充完电的状态下,失去大部分离子的负极非常不稳定。这个离子又回到负极以提供能量。在充完电的状态下,失去大部分离子的负极非常不稳定。这个温度足以使负极分解和释放氧。随着热量积蓄,电池将会进入温度足以使负极分解和释放氧。随着热量积蓄,电池将会进入“热失控热失控”状态。此时电池内状态。此时电池内部的温度将会极快地升高,最后到达电解液的燃点而起火爆炸。在最近导致众多大厂笔记本部的温度将会极快地升高,最后到达电解液的燃点而起火爆炸。在最近导致众多大厂笔记本电脑过热和起火的电脑过热和起火的SONY锂电
8、池中,正是因为在电池制造过程中混入了过多的金属颗粒,容锂电池中,正是因为在电池制造过程中混入了过多的金属颗粒,容易在电池使用过程中发生短路、产生火花。才导致了这些锂离子电池的不稳定。易在电池使用过程中发生短路、产生火花。才导致了这些锂离子电池的不稳定。第十一页,本课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类按按形状形状分类:圆柱形、方形和扣式分类:圆柱形、方形和扣式(或钱币形或钱币形);按按正极材料正极材料分类:氧化钴锂型、氧化镍锂型、氧化锰分类:氧化钴锂型、氧化镍锂型、氧化锰锂型和磷酸铁锂型等;锂型和磷酸铁锂型等;按按电解质材料电解质材料不同分类
9、:液态锂离子电池、聚合物锂离子电不同分类:液态锂离子电池、聚合物锂离子电池池第十二页,本课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类相同点相同点:液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同:液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的,电池的工作原理也基本一致。一般正极使用的,电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2,负极使用各种碳材料如石墨,负极使用各种碳材料如石墨,同时使用铝、铜做集流体。同时使用铝、铜做集流体。区别区别:主要区别在于:主要区别在于电解质电解质的不同的不同,锂离子电池
10、使用的是锂离子电池使用的是液体电解质液体电解质,而聚合物锂而聚合物锂离子电池则以离子电池则以聚合物电解质(液态有机电解质吸附在聚合物基质上,这种电解质聚合物电解质(液态有机电解质吸附在聚合物基质上,这种电解质既不是游离电解质也不是固体电解质)既不是游离电解质也不是固体电解质)来代替来代替,这种聚合物可以是这种聚合物可以是“干态干态”的的,也也可以是可以是“胶态胶态”的的,目前大部分采用目前大部分采用聚合物胶体电解质聚合物胶体电解质。电解质电解质壳体壳体/包装包装隔膜隔膜集流体集流体液态锂离子电池液态锂离子电池液态液态不锈钢、铝不锈钢、铝25PE铜箔(负极)铜箔(负极)和铝箔(正极)和铝箔(正极
11、)聚合物锂离子电聚合物锂离子电池池胶体聚合物胶体聚合物铝铝/PP复合膜复合膜没有隔膜或个没有隔膜或个PE铜箔(负极)铜箔(负极)和铝箔(正极)和铝箔(正极)第十三页,本课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类聚聚合合物物锂锂离离子子电电池池比比能能量量高高,电电性性能能优优良良,不不漏漏液液,抗抗过过充充电电,结结构构简简单单,可可以以制制成成任任意意形形状状的的超超薄薄形形电电池池。聚聚合合物物锂锂离离子子电电池池还还可可以以采采用用高高分分子子作作正正极极材材料料,其其质质量量比比能能量量将将会会比比目目前前的的液液态态锂锂离离子子电电池池
12、提提高高50以以上上。此此外外,聚聚合合物物锂锂离离子子电电池池在在工工作作电电压压、充充放放电电循循环环寿寿命命等等方方面面都都比比液液态态锂锂离离子子电电池池有有所所提提高高。基基于于以以上上优优点点,聚聚合合物物锂锂离离子子电电池池被被誉誉为为下一代锂离子电池。下一代锂离子电池。锂锂离离子子电电池池对对聚聚合合物物电电解解质质的的主主要要要要求求是是离离子子电电导导率率高高,电电化学性能和热性能稳定,机械性能柔韧,机械强度高。化学性能和热性能稳定,机械性能柔韧,机械强度高。第十四页,本课件共有120页1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的性能锂离子电池的性能(1)电电池池
13、电电动动势势:在在等等温温等等压压条条件件下下,当当体体系系发发生生变变化化时时,体体系系吉吉布布斯斯自自由由能能的的减减少少等等于于对对外外所所做做的的最最大大膨膨胀胀功功,如如果果非非膨膨胀胀功功只只有有电电工工,则则G=-nFE。当当电电池池中中的的化化学学能能以以不不可可逆逆方方式转变为电能时,两极间的电位差式转变为电能时,两极间的电位差E一定小于可逆电动势一定小于可逆电动势E。(2)电电池池内内阻阻:电电池池内内阻阻有有欧欧姆姆电电阻阻和和电电极极在在电电化化学学反反应应是是所所表表现现出出的的极极化化电电阻阻。欧欧姆姆电电阻阻、极极化化电电阻阻之之和和为为电电池池的的内内阻阻。欧欧
14、姆姆电电阻阻由由电电极极材材料料、电电解解液液、隔隔膜膜电电阻阻及及各各部部分分零零件件的的接接触触电电阻阻组组成成。极极化化电电阻阻是是指指电电化化学学反反应应时时由由极极化化引引起起的的电电阻阻,包包括括电电化学极化和浓差极化引起的电阻。化学极化和浓差极化引起的电阻。第十五页,本课件共有120页(3)开路电压和工作电压:开路电压是指外电路没有电流流过)开路电压和工作电压:开路电压是指外电路没有电流流过时电极之间的电位差,一般开路电压小于电池电动势。工作电压时电极之间的电位差,一般开路电压小于电池电动势。工作电压又称为放电电压或负荷电压,是指有电流流过外电路时,电池两又称为放电电压或负荷电压
15、,是指有电流流过外电路时,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电阻所造成的阻力。内部时,必须克服极化电阻和欧姆电阻所造成的阻力。(4)电池容量和比容量:电池容量是指一定放电条件下可以从)电池容量和比容量:电池容量是指一定放电条件下可以从电池获得的电量,分理论容量、实际容量和额定容量。比容量是电池获得的电量,分理论容量、实际容量和额定容量。比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量,称为质量比容量或体指单位质量或单位体积电池所给出的容量,称为质量比容量或体积比容量。积比容量。第十六页
16、,本课件共有120页(5)电电池池的的能能量量和和比比能能量量:电电池池在在一一定定的的条条件件下下对对外外做做功功所所输输出出的的电电能能叫叫电电池池的的能能量量,单单位位用用Wh表表示示。单单位位体体积积或或单单位质量给出的能量称为电池的比体积能量或比质量能量。位质量给出的能量称为电池的比体积能量或比质量能量。(6)电电池池的的功功率率和和比比功功率率:电电池池的的功功率率是是指指在在一一定定的的放放电电制制度度下下,单单位位时时间间内内电电池池输输出出的的能能量量,单单位位为为W或或KW。比功率是指单位质量或单位体积电池输出的功率。比功率是指单位质量或单位体积电池输出的功率。(7)贮存性
17、能和自放电:一次电池在开路时,在一定条)贮存性能和自放电:一次电池在开路时,在一定条件下贮存时容量下降。下降的主要原因是由负极腐蚀和正件下贮存时容量下降。下降的主要原因是由负极腐蚀和正极自放电引起的。负极腐蚀:由于负极多为活泼金属,其极自放电引起的。负极腐蚀:由于负极多为活泼金属,其标准电极电位比氢电极负,特别是有正电性金属杂质时,标准电极电位比氢电极负,特别是有正电性金属杂质时,杂质与负电极形成腐蚀微电池。正电极自放电:正极上发杂质与负电极形成腐蚀微电池。正电极自放电:正极上发生副反应时消耗正极活性物质,使电池容量下降。生副反应时消耗正极活性物质,使电池容量下降。第十七页,本课件共有120页
18、(8)电池寿命:二次电池的寿命分充、放电寿命和湿搁置使)电池寿命:二次电池的寿命分充、放电寿命和湿搁置使用寿命。蓄电池经历一次充放电为一个周期。在一定的放电制用寿命。蓄电池经历一次充放电为一个周期。在一定的放电制度下,电池容量降至规定值之前,电池所受的循环次数,称为度下,电池容量降至规定值之前,电池所受的循环次数,称为使用周期。使用周期。(9)锂离子电池的性能:锂离子电池的性能包括电池充放)锂离子电池的性能:锂离子电池的性能包括电池充放电性能、温度性能、循环寿命、自放电特性、安全性等。电性能、温度性能、循环寿命、自放电特性、安全性等。第十八页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电
19、池的原理和特性锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第十九页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第二十页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性以以LiCoO2体系的锂离子二次电池为例说明其体系的锂离子二次电池为例说明其工作原理。一般,锂离子二次电池是由工作原理。一般,锂离子二次电池是由正极正极、电解液电解液、隔膜隔膜以及以及负极负极构成。充电时,正极中构成。充电时,正极中的锂离子从的锂离子从LiCoO2层状结构中脱出,层状结构中脱出,Co元素元素的化合价由的化合价由升高到升高到,正极材料发,正极
20、材料发生氧化反应,同时锂离子经过电解液迁移生氧化反应,同时锂离子经过电解液迁移到电池的负极,在负极碳材料的层状结构到电池的负极,在负极碳材料的层状结构内和碳化合生成内和碳化合生成LiCX。电池在接上负载时,。电池在接上负载时,则两电极上所发生的反应分别为充电时发则两电极上所发生的反应分别为充电时发生反应的逆反应。隔膜位于正负反应电极生反应的逆反应。隔膜位于正负反应电极之间,隔膜可以透过离子,但却不允许电之间,隔膜可以透过离子,但却不允许电子透过,同时当电池正负极发生一定程度子透过,同时当电池正负极发生一定程度的微短路时,隔膜还起到阻断保护作用。的微短路时,隔膜还起到阻断保护作用。锂离子电池的工
21、作原理锂离子电池的工作原理第二十一页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性电电极极反反应应锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第二十二页,本课件共有120页锂锂离离子子电电池池的的额额定定电电压压为为3.6V。电电池池充充满满时时的的电电压压(称称为为终终止止充充电电电电压压)一一般般为为4.2V;锂锂离离子子电电池池终终止止放放电电电电压压为为2.5V。如如果果锂锂离离子子电电池池在在使使用用过过程程中中电电压压已已降降到到2.5V后后还还继继续使用,则称为过放电,对电池有损害。续使用,则称为过放电,对电池有损害。2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性
22、锂锂离离子子电电池池比比较较骄骄贵贵。如如果果不不满满足足其其充充电电及及使使用用要要求求,很很容容易易出出现现爆爆炸炸,寿寿命命下下降降等等现现象象。因因为为锂锂离离子子电电池池对对温温度度、过过压压、过过流流及及过过放放电电很很敏敏感感,所所以以所所有有的的电电池池内内部部均均集集成成了了热热敏敏电电阻阻(监控充电温度)及防过压、过流、过放电保护电路。(监控充电温度)及防过压、过流、过放电保护电路。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第二十三页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理Iconst:恒流充电电流;:恒流充电
23、电流;Ipre:预充电电流;:预充电电流;Ifull:充满判断电流;:充满判断电流;Vconst:恒压充电电压;:恒压充电电压;Vmin:预充结束电压及短路:预充结束电压及短路判断电压判断电压第二十四页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电过程分锂离子电池的充电过程分:预充电阶段预充电阶段;恒流充电阶段恒流充电阶段-恒压充电阶段恒压充电阶段。1C4.1V一一4.2V锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第二十五页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性预充电阶段预充电阶段预充电阶段是在电池电预充电阶段是在电池电压低于压低于
24、3V时,电池不能时,电池不能承受大电流的充电。这时承受大电流的充电。这时有必要以小电流对电池进有必要以小电流对电池进行浮充。行浮充。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第二十六页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性恒流充电阶段恒流充电阶段当电池电压达到当电池电压达到3V时,时,电池可以承受大电流的电池可以承受大电流的充电了。这时应以恒定充电了。这时应以恒定的大电流充电。以使锂的大电流充电。以使锂离子快速均匀转移,这离子快速均匀转移,这个电流值越大,对电池个电流值越大,对电池的充满及寿命越有利。的充满及寿命越有利。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第二十七
25、页,本课件共有120页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性恒压充电阶段恒压充电阶段当电池电压达到当电池电压达到4.2V时,达到了电时,达到了电池承受电压的极限。这时应以池承受电压的极限。这时应以4.2V的电的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于当充电电流小于30mA时,电池即充时,电池即充满了。这时要停止充电。否则,电池满了。这时要停止充电。否则,电池因过充而降低寿命。恒压充电阶段要因过充而降低寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为求电压控制精度为1%。依国家标准,。依国家标准,锂离子电池要能在锂离子电池要能在1C的充电电流下,的充电电流
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