1、鋰 電 池 原 理 及 應 用一、鋰電池發展簡介20世紀70年代末,以金屬鋰為負極，氧化鉬、氧化釩為正極的鋰蓄電池已研發成功；80年代中后期,以聚氧化乙烯(PEO)等導電聚合物為電解質膜的鋰二次電池也研發成功。但由于安全可靠性及電壓體系等種種因素未能投入商業市場； 1991年日本索尼(Sony)公司首次推出的以碳材為負極，以鈷酸鋰材料為正極的二次鋰電池。由于它沒有金屬鋰，稱為鋰離子電池，成功地解決了鋰電池的安全可靠性問題，立即被市場廣泛接受并成為筆記本電腦和手機等IT產品的電源。 初期的鋰離子電池代表產品為18650圓柱型電池,標稱容量為1800mAh；90年代中后期，手機采用3.6伏系統，并

2、且已經實現了小型化。要求減少電池的厚度和體積，出現了方形電池。 電池厚度變化從10mm減薄至5mm。現在已有3.5mm厚的鋁殼手機電池問世； 2019年，日本Sony等四家公司幾乎同時推出用鋁塑薄膜作外殼包裝的聚合物鋰離子電池。當時電池尺寸為305062，容量為550mAh。經過幾年的研 究，聚合物鋰離子電池產品其厚度可以從1mm到10mm，容量可以從40mAh到5000mAh；方形聚合物鋰離子電池在2000年開始出現批量生產，初期年產量為1100萬顆，預計至2019年的年產量可達2.3億顆，年均增長率為79。預計液態鋰離子電池年產量達5億只。電池尺寸厚度變薄，同時電池重量比能量也大幅度地提升

3、，從130 wh/kg增加到150wh/kg；現在世界上聚合物鋰離子電池的重量比能量已提升到180 wh/kg左右的水平，比液態鋰離子電池高出10%以上。 二、鋰離子電池工作原理及其結構 1.工作原理： 鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時，Li+ 從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態，同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負極，保證負極的電荷平衡。放電時則相反， Li+ 從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極，正極處于富鋰態。在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結構氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距變化，不破

4、壞晶體結構，在充放電過程中，負極材料的化學結構基本不變。因此，從充放電反應的可逆性看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應。 2.鋰離子電池結構：正極：預先鋰化的過渡金屬氧化物，如鈷酸鋰、 錳酸鋰、鎳酸鋰等負極：具有特殊結構的碳材，如軟碳、硬碳石墨 和石墨化碳纖維等電解液：有機溶劑和鋰鹽的溶液，例如PC(碳酸 丙烯酯)、EC(碳酸乙烯酯)、DMC(二甲 基碳酸)、DEC(二乙基碳酸)、1M LiPF6 電導率為6.79 mS/cm，水含量6ppm， HF含量8ppm。隔膜： 多孔聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)膜包裝材料：鋁塑復合膜液態鋰離子電池結構圖聚合物鋰離子電池結構圖不同溫度下放電曲線循環壽

5、命曲線三、鋰離子電池性能電性能(一)、電壓1.開路電壓：電池與外電路沒有接通時，即沒有電流流過時電極之間的電位差，等于正極電位與負極電位之間的差值。如鋰離子電池的開路電壓為4.1V，鉛酸蓄電池為2.1V。2.工作電壓：又稱放電電壓或負荷電壓，是指電池對外輸出電流時，電池兩極間的電位差。工作電壓總是低于開路電壓。3.終止電壓：電池充放電時，電壓上升或下降到某數值，電池不宜再繼續充電或放電的工作電壓。一般在充電時，終止電壓為4.2V，放電時為3 .0V或2 .75V。(二)、容量 電池容量是電池對用電器輸出的電量。單位為mAh或Ah。容量大小是由正負極中活性物質的數量多少來決定的。 1.額定容量：

6、在設計和制造電池時，規定電池在一定放電條件下應該放出的最低限度的電量。2.比容量：為了對不同的電池進行比較，引入比容量概念。比容量是指單位質量或單位體積電池所給出的容量，稱為質量比容量或體積比容量。3.影響電池容量的因素：a. 電池的放電速度(通常以電流強度mA來表示)：電流越大，輸出的容量減少；注：圖中A區(陰影部分)為電池對外輸出的能量；B區為電池自身損耗的能量。b.電池的放電溫度：溫度降低，輸出容量減少；c.電池的放電終止電壓：是由用電器以及電池反應本身的限定來設定的，例如：充電時，終止電壓為4.2V，放電時為3 .0V或2 .75V。d.電池的貯存時間：電池經過長時間貯存后，電池的放電

7、容量會相應減少。(三)、內阻 電池內阻包括歐姆電阻(R)和電極在電化學反應時所表現的極化電阻(Rf )。歐姆電阻、極化電阻之和為電池的內阻(Ri )。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。隔膜電阻是當電流流過電解液時，隔膜有效微孔中電解液所產生的電阻(RM )。RM=sJ 式中 RM是隔膜電阻； s是溶液比電阻； J 表征隔膜微孔結構的因素等。結構因素包括膜厚、孔率、孔徑、孔的彎曲程度。極化電阻Rf是指電化學反應時由極化引起的電阻，包括電化學極化和濃差極化引起的電阻。為比較相同系列不同型號的化學電源的內阻，引入比內阻(Ri )的概念，即單位容量下電池的內阻。Ri Ri

8、 /C 式中Ri為比內阻，C為電池容量，Ri為電池內阻。(四)、能量和比能量 電池在一定條件下對外作功所能輸出的電能叫做電池的能量，單位一般用wh表示。1.理論能量 電池的放電過程處于平衡狀態，放電電壓保持電動勢(E)數值，且活性物質利用率為100，在此條件下電池的輸出能量為理論能量(W0)，即可逆電池在恒溫恒壓下所做的最大非膨脹功(W0=C0E)。2.實際能量電池放電時實際輸出的能量稱為實際能量。W=V工作I tV工作= V開路I Ri3.比能量 單位質量和單位體積的電池所給出的能量，稱質量比能量或體積比能量，也稱能量密度。比能量的單位為wh/kg或wh/L。 瑞寶聚合物鋰離子電池重量比能量

9、為170-190 wh/kg,已達到國外公司同等產品水平。(五)、20放電性能1. 0.2C5A放電性能 電池按充電制式規定充電后擱置0.5h1h，在20 5 的溫度下，以0.2C5A電流放電到終止電壓，放電時間應不低于5h。2. 1C5A放電性能 電池按充電制式規定充電后擱置0.5h1h，在205 的溫度下，以1C5A電流放電到終止電壓，放電時間應不低于51min。3. 高溫性能 電池按充電制式規定充電結束后，將電池放入552的高溫箱中，然后以1C5A電流放電至終止電壓，放電時間應不低于51min。該試驗結束后，將電池取出在環境溫度205 的條件下擱置2h，然后目測電池外觀，應無變形、無爆裂

10、。4. 低溫性能 電池按充電制式規定充電結束后，將其放入 -202 的低溫箱中1624h后，以0.2C5A電流放電至終止電壓，放電時間應不低于3.5h。該試驗結束后，將電池取出在環境溫度205 的條件下擱置2h，然后目測電池外觀，電池外觀應無變形、無爆裂。5. 荷電保持能力 電池按充電制式規定充電結束后，在環境溫度為205 的條件下，將電池開路擱置28d，再以0.2C5A電流進行放電至終止電壓，放電時間應不低于4.25h。機械性能1. 振動 電池按充電制式規定充電結束后，將電池直接安裝或通過夾具安裝在振動臺的臺面上，按下面的振動頻率和對應的振幅調整好試驗設備，X、Y、 Z三個方向每個方向上從1

11、0Hz55Hz循環掃頻震動30min，掃頻速率為1oct/min； 振動頻率：10Hz30Hz 位移幅值（單振幅）0.38mm 振動頻率：30Hz55Hz 位移幅值（單振幅）0.19mm 振動結束后電池外觀應無明顯損傷、漏液、冒煙和爆炸，電池電壓應不低于n3.6V。2. 碰撞電池振動試驗結束后，將電池平均按X.Y.Z三個相互垂直軸向直接或通過夾具堅固在臺面上，按下述要求調好加速度、脈沖持續時間，進行碰撞試驗。 脈沖峰值加速度 100m/s2 每分鐘碰撞次數 4080脈沖持續時間 16ms 碰撞次數 100010 碰撞結束后將電池自實驗臺取下，電池外觀應無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，電池電壓應不

12、低于n3.6V。3. 自由跌落 電池碰撞試驗結束后，將電池樣品由高度（最低點高度）為1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的18mn20mn厚的硬木板上，從X.Y.Z正負方向（六個方向）每個方向自由跌落1次。自由跌落結束后，將電池以1C5A 電流放電至終止電壓。然后按規定進行充放電循環，至放電時間應不低于51min，即可終止充放電循環；充放電循環次數應不多于3次。電池應不漏液、不冒煙、不爆炸。4. 重物沖擊 電池放置于沖擊臺上，將10Kg重錘自1m高度自由落下，沖擊已固定在夾具中的電池（電池的面積最大的面應與臺面垂直），電池允許發生變形，但應不起火、不爆炸。5 熱沖擊 電池放置于熱箱中，溫

13、度以（52）/min的速率升至15020并保溫30min，電池應不起火、不爆炸安全性能1 .過充電保護 電池按充電制式規定充電結束后，用恒流恒壓源持續給電池加載8h, 恒流恒壓源電壓設定為2倍標稱電壓，電流設定為2C5A的外接電流，電池應不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。2 .過放電保護 電池在環境溫度205的條件下，以0.2 C5A放電至終止電壓后，外接（30n）負載放電24h，電池應不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。3 .短路保護 電池按充電制式規定充電之后，將正負極用0.1電阻器短路，電池應不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。將正負極斷開，電池以1C5A電流充電5s后用電壓表測量電池電壓，電池電壓應不

14、小于n3.6V。4. 恒定濕熱性能 電池按充電制式規定充電結束后，將電池放入402 ，相對濕度為90%95%的恒溫恒濕箱中擱置48h后，將電池取出在環境溫度205 的條件下擱置2h，目測電池外觀，應無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸；再以1C5A電流放電至終止至電壓，放電時間應不低于36min。貯存性能1.電池貯存12個月，經完全充電后，0.2C5A放電時間不小于4h，放電容量約為額定容量的80%，容量的下降是由于電池的自放電反應所引起的。2.在環境溫度205 的條件下，以1C5A充電，當電池端電壓達到充電限制電壓時，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于20mA，停止充電，擱置0.5h1h，再進行下

15、一個充放電循環，直至連續兩次放電時間小于36min，則認為壽命終止。循環壽命應不低于300次。循環壽命及其影響因素 1. 鋰離子電池經歷一次充放電，稱一個周期。在一定的放電制度下，電池容量降至規定值之前，電池所經受的循環次數，稱為電池的循環壽命。2. 影響電池循環壽命的主要因素有：a.在充放電過程中，電極活性物質表面積減少，使工作電流密度上升，極化增大；b.電極上活性物質脫落或轉移；c.電極材料發生腐蝕；d.電池內部短路；e.隔膜損壞和活性物質晶型改變，活性降低。四、鋰離子電池特點薄，輕，容量大和任意形狀；高能量密度140-180Wh/Kg(其它充電電池：120- 160Wh/Kg)；大容量單

16、體電池，免除并聯荷電保持能力強。在205下貯存30天后，電池的常溫放電容量可達到額定容量的85以上；循環使用壽命長。連續充放電500次后，電池的容量依然不低于額定值的80；安全性高。該電池具有在短路、過充、過放、沖擊(10kg重物自1m高自由落體)、振動、槍擊、針刺(穿透)、高溫(150)等狀態下不起火、不爆炸等特點； 無環境污染。它不含有鎘、鉛、汞這類有害物質，是一種潔凈的“綠色”能源；無記憶效應。可隨時進行充、放電使用。比能量高。是鎘鎳電池的5倍，是鎳氫電池的2倍 異 型 電 芯性 能 比 較(一)電池類型酸性電池鎳鎘電池鎳氫電池液態鋰電池聚合物鋰電池安全好好好好優秀工作電壓(V)21.2

17、1.23.73.7重量能量比 (Wh/kg)354150-80120-160140-180體積能量比(Wh/l)80120100-200200-800320性 能 比 較 (二)電池類型酸性電池鎳鎘電池鎳氫電池液態鋰電池聚合物鋰電池循環壽命300300500500500工作溫度 ( )-2060-2060-2060-2060-2060自放電10103055記憶效應無有無無無毒性有毒有毒輕毒輕毒五毒形狀固定固定固定固定任意五、鋰離子電池應用聚合物鋰離子電池的典型應用主要有移動電話、筆記本電腦、手持電腦、個人數字助理(PDA)、 MP3、智能卡、手表、耳機、DVD和VCD播放器、HEVs等等。 鋰

18、離子電池應用市場的分布用電器具比例(%)手 機51.0筆記本電腦38.9攝放一體機8.9其它1.2Mobile PhoneDVD/筆記本電腦PDA/攝像機藍牙設備（數字筆/耳機）全球兩大便攜式用電器具中鋰離子電池比例年份手 機筆記本電腦20192740201933572019366720194267六、國內外鋰離子電池生產情況 近年來，隨著電子產品向小型化、微型化的迅速發展，對電池產品提出了更高的要求。由于鋰離子電池優良的綜合性能適應了這種要求，所以鋰離子電池生產的增長勢頭非常迅猛。從世界范圍來講，主要發達國家都在生產和研發新型鋰離子電池，其中日本占主要地位。近幾年來中國鋰離子電池發展也異常迅

19、速，年產量已經超過1億顆以上，再過幾年有可能超過日本，成為世界鋰離子電池生產大國。各國廠商在民用可充電池市場所占份額公司Cd/NiMH/NiLi-ion聚合物Li-ion松下22%27%18 %三洋40%35%20 %5 %索尼18 %65 %東芝15 %10 %中國比亞迪天津力神19%10%4 %10%七、未來發展趨勢原材料國產化降低成本采用新材料及新工藝進一步提高電池性能進一步優化設計，提高電池比能量采用復合隔膜提高電池的安全性開發膠態聚合物鋰離子電池，提高電池的安全性設計研發新型多功能保護線路板，提高組合電池的安全及可靠性八、電芯操作說明(售后服務事項)由于電芯屬于軟包裝，為保證電芯的性能不受損害，必須小心對電芯進行 操作。1.1 鋁塑包裝膜材料鋁塑包裝膜材料易被尖銳部