1、鋰子電池應用技術交流課件鋰子電池應用技術交流課件CONTENT目錄一鋰離子電池發展概況二鋰離子電池分類與特點三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較四鋰離子電池安全性分析五六鋰離子電池應用常見問題鋰離子電池滅火措施討論CONTENT目錄一鋰離子電池發展概況二鋰離子電池分類與特點一 鋰離子電池發展概況（一） 鋰離子電池俗稱“鋰電”，是目前在實際應用中綜合性能最好的電池體系。鋰離子電池的研究始于20世紀80年代末，自20世紀90年代問世并得到了迅猛發展，尤其在小型二次電池市場（如筆記本、手機、電動工具、電動玩具等）中得到了快速推廣與應用，到目前位置，已占據了二次電池市場最大份額。一 鋰離子電池發展概況（

2、一） 鋰離子電池俗稱“鋰電” 隨著步入21世紀，全球氣候變暖、環境日益污染及能源的日趨短缺枯竭已成為大家的共識。如何解決環境與資源問題，是對科學技術界的挑戰，也是對電化學、材料學等研究的挑戰。為了使能量更合理的儲存利用以及加快以電代油，發展儲能與電動汽車已是當務之急。由此，也促進了作為儲能載體與動力來源的蓄電池的快速發展與應用。一 鋰離子電池發展概況（二） 隨著步入21世紀，全球氣候變暖、環境日益污染及鋰離子電池應用范圍日益廣泛一 鋰離子電池發展概況（三）鋰離子電池應用范圍日益廣泛一 鋰離子電池發展概況（三）動力型鋰離子電池一 鋰離子電池發展概況（四）動力型鋰離子電池一 鋰離子電池發展概況（四

3、） 鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、極耳（或柱）等部分組成。 按照正極材料的不同，鋰離子電池主要分為：鈷酸鋰鋰離子電池、錳酸鋰鋰離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子電池及鎳鈷錳三元鋰離子電池四大類； 按照包裝材料的不同，鋰離子電池主要分為：軟包裝、鋁殼包裝、鋼殼包裝； 按照外部形狀的不同，鋰離子電池主要分為：方形鋰離子電池、圓柱形鋰離子電池；二 鋰離子電池分類與特點（一） 鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、極耳二 鋰離子電池分類與特點（二）鋰離子電池正極材料特點比較二 鋰離子電池分類與特點（二）鋰離子電池正極材料特點比較二 鋰離子電池分類與特點（三）鋰離子電池特點比較二 鋰離子電池分類與

4、特點（三）鋰離子電池特點比較二 鋰離子電池分類與特點（四） 軟包裝 方形 圓柱鋰離子電池結構二 鋰離子電池分類與特點（四） 軟包裝 方形 圓柱鋰離子電二 鋰離子電池分類與特點（五）鋰離子電池結構特點二 鋰離子電池分類與特點（五）鋰離子電池結構特點三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（一） 鋰離子電池組裝方式并聯串聯串并聯組合，分為先串后并和先并后串 并聯：電池電壓不變，容量累加，可獲得高容量； 串聯：電池容量不變，電壓累加，可獲得高電壓； 串并聯組合：可獲得高電壓、高容量；三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（一） 鋰離子電三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（二）在高容量動力電池組應用方面，

5、通常采用小容量單體電池進行并聯成大容量電池組，而非直接采用單體大容量電池。為什么？三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（二）在高容量動力電池三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（三） 大容量鋰離子電池特點 優點組合方便，僅需考慮串聯組合指標占優勢（體積能量比、質量能量比等）電池連接點、焊接點較少，可靠性較高接觸內阻較少 缺點工藝復雜，合格率低內部電流密度、溫度的分布均勻性差部分結構電池，如軟包裝等，引流能力較差安全性差三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（三） 大容量鋰離 小容量鋰離子電池特點 優點電池比表面積大，散熱性能好內部電流分布均勻便于工藝控制，一致性較好，單元電池可靠性較高 安全系數

6、高電池連接點、焊接點較多，可靠性略差三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（四） 缺點大容量電池需并聯應用串并聯組合設計復雜，組合成本高串并聯組合體積大，影響實際的部分應用 小容量鋰離子電池特點 優點三 鋰離子電池成組方法及其 大容量電池與小容量電池內部溫度與電流密度比較三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（五） 大容量電池與小容量電池內部溫度與電流密度比較三 鋰離三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（六）三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（六）三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（七）并聯電池的內阻基本一致并聯電池的放電平臺基本一致并聯電池容量基本一致并聯電池電壓基本一致三 鋰離子電池成組方

7、法及其可靠性比較（七）并聯電池的內阻基三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（八）三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（八）三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（九）不同組合方式可靠性的數學模型串聯數學模型：并聯數學模型：先串后并數學模型：先并后串數學模型：Rs(t)表示系統的可靠度；R=（1，2，3，n)表示第i個單元的可靠度。三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（九）不同組合方式可靠三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十）電池串聯可靠性分析圖1 電池串聯模型 圖1表示一個由n個電池單元組成的串聯系統的模型，假設圖1中各單元之間是相互獨立的，且第i個單元的可靠度為 ，i1，2n。根據串聯系統

8、的定義，結合概率理論，我們可得系統的可靠度為:三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十）電池串聯可靠性分三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十一）圖2 電聯并聯模型 圖2表示一個由n個電池單元組成的并聯系統模型，假設第i個部件的可靠度為 ，i1，2n，且各部件之間是相互獨立的。那么可得圖2的可靠度為：電池并聯可靠性分析三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十一）圖2 電聯并聯三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十二）圖3 電池先串后并模型 圖3表示一個先由n個電池單元串聯，然后再進行m個并聯組成的系統模型。對于先串后并系統的可靠度的求法，可先求出各串聯分系統的可靠度，再把這些分系統并聯起來

9、，求出系統可靠度。那么可得圖3的可靠度為：電池先串后并可靠性分析三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十二）圖3 電池先串三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十三）圖4 電池先串后并模型 圖4表示一個先由m個電池單元并聯，然后再進行n個分系統并聯組成的系統模型。對于先并后串系統的可靠度的求法，可先求出各并聯分系統的可靠度，再把這些分系統串聯起來，求出系統可靠度。那么可得圖4的可靠度為：電池先并后串可靠性分析三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十三）圖4 電池先串三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十四）舉例： 假設單個電池的可靠度相同且獨立，Ri=0.99，100只電池串聯，4只電池并聯

10、，通過上述可靠度數學模型計算可得： 先并后串可靠度： 先串后并可靠度：三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十四）舉例： 三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十五）結論： 在鋰離子電池不同串并聯成組方法中，采用先并后串組合而成的電池組可靠度較高。三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十五）結論： 三 鋰離子電池成組方法及其可靠性比較（十六）影響單體電池可靠性的有關因素與各部件的可靠性有關外殼（r1)、隔膜(r2)、正極片(r3)、負極片(r4)、電解液(r5)等電池的可靠性=r1r2r3r4r5 與工藝控制（如配料、面密度、毛刺、輥壓程度等） 可靠性有關與環境溫濕度控制有關 三 鋰離子電池成

11、組方 四 鋰離子電池安全性分析（一） 本質安全性又稱能量安全性，定量地從能量角度描述了能量載體的安全性能，定義如下：1、最小能量單元的能量限制為若發生燃燒爆炸不足以產生損害性后果。2、最小能量單元若發生燃燒爆炸，其能量不會引起連鎖反應。 同時具有以上兩點的能量載體稱其具有本質安全性本質安全性定義（哈爾濱理工大學） 四 鋰離子電四 鋰離子電池安全性分析（二）四 鋰離子電池安全性分析（二）電池是能量的載體，本質上就存在不安全因素；不同的電化學體系，不同的容量，使用工藝參數，使用環境，使用程度，都會對電池安全性產生較大的影響；大部分的安全事故均與熱失效有關，應注重溫度控制的重要性；所有電池包括一次電

12、池、各類二次電池，均存在安全性問題；電池的安全性是相對的，我們只能不斷地改進提高，永遠不可能徹底解決；四 鋰離子電池安全性分析（三）電池是能量的載體，本質上就存在不安全因素；四 鋰離子電池安四 鋰離子電池安全性分析（三）以3.2V20Ah鋰離子電池為例: 20Ah * 3.2V = 64Wh = 230.4KJ 1 克TNT 4.20KJ 20Ah鋰離子電池的能量 54.9克TNT能量。20Ah鋰離子電池僅存儲的電能相當于54.9克TNT炸藥的能量。以上計算還未計電解液燃燒所含能量，及正極活性物質分解的能量。四 鋰離子電池安全性分析（三）以3.2V20Ah鋰離子電池四 鋰離子電池安全性分析（四

13、）鋰離子電池的電解液用量 6mL/AH1 克TNT 4.20KJ1 Ah電池的電解液能量 178.9KJ1 Ah電池的電解液能量 42.6克 TNT20 Ah電池的電解液能量 852克 TNT注意：電解液本身通常不具備直接爆炸條件四 鋰離子電池安全性分析（四）鋰離子電池的電解液用量 四 鋰離子電池安全性分析（五）造成鋰離子電池不安全的原因電池內部發生短路，造成電池內部熱失效；大電流充電、放電；過充電、過放電；電池管理系統故障或管理失效；電池系統零部件接觸不良；線纜受力磨損、老化；過高溫或過低溫環境下使用；電池受震動、碰撞、沖擊等因素影響。四 鋰離子電池安全性分析（五）造成鋰離子電池不安全的原因

14、電四 鋰離子電池安全性分析（六）電池安全性隨使用循環次數增多而下降 隨著動力電池使用次數的增多，電池的內阻增大，容量逐漸降低，電池性能會逐漸下降，安全性也隨之降低； 循環后的電池，其安全性對熱干擾更敏感； 電池的安全性是相對的，一定循環次數之前的電池安全測試是合格的，而經過一定循環次數后電池將呈現出不安全因素。四 鋰離子電池安全性分析（六）電池安全性隨使用循環次數增多四 鋰離子電池成安全性分析（七）電池安全性結論 電池容量越高，貯存能量越多，安全性越差 保護措施 外置保護電路，如保護板、電池管理系統等； 內裝置PTC（但會增加電池內阻）； 電解液添加阻燃劑（會影響電池性能）； 金屬殼體電池設計

15、泄氣閥等； 注重熱管理的設計 外部保護不能解決電池內部問題 單體電芯設計； 產品質量控制； PACK設計；四 鋰離子電池成安全性分析（七）電池安全性結論 電池容量越五 鋰離子電池應用常見問題（一）鋰離子電池如何充放電比較合理 充放電方式：淺充淺放 電池保護板或管理系統上下限保護電壓范圍較寬，以錳酸鋰工作電壓2.8V4.2V為例，保護板上下限保護電壓為2.5V4.35V； 過充電或長期滿充電，一方面易造成電池出現沉鋰；另一方面易促使鋰枝晶的生長； 過放電或長期滿放電，一方面易造成負極石墨晶格發生畸變；另一方面嚴重時易出現析銅現象； 充放電環境：避免高溫或低溫環境充放，合理溫度045；五 鋰離子電

16、池應用常見問題（一）鋰離子電池如何充放電比較合半態儲存，即標準容量的40%60%；鋰離子電池如何儲存五 鋰離子電池應用常見問題（二）半態儲存，即標準容量的40%60%；鋰離子電池如何儲存五 五 鋰離子電池應用常見問題（三）原因分析：第一種狀態：零電荷儲存； 負極石墨晶格易塌陷，造成再用容量下降； 若鋰電芯安裝無0V起充功能的保護板時，當電芯電壓降至保護板過放電保護電壓以下，電芯自身電壓降不能沖開保護板的保護鎖定，電池會鎖死；第二種狀態：滿電荷儲存； 鋰離子嵌滿負極材料的所有空位，長時間保持這種富鋰狀態，負極易造成鋰沉積； 造成負極粘結劑長時間處于膨脹狀態容易老化，使其失去粘性和彈性，造成負極集

17、流體脫料，造成電芯容量損失；第三種狀態：一定量電荷儲存；五 鋰離子電池應用常見問題（三）原因分析：五 鋰離子電池應用常見問題（四）新購買的鋰離子電池如何充電鋰離子電池從生產到購買時間較長，3個月以上；自身容量通常低于正常值，只需正常作充放電循環35次，容量即可恢復；（SEI膜的形成）鋰離子電池從生產到購買時間較短，13個月左右；可正常使用切勿被“前3次需要充電12個小時以上”的說法誤導。五 鋰離子電池應用常見問題（四）新購買的鋰離子電池如何充電鋰離子電池SEI膜定義與作用SEI膜定義 在液態鋰離子電池首次充放電過程中,電極材料與電解液在固液相界面上發生反應,形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。

18、這種鈍化層是一種界面層,具有固體電解質的特征,是電子絕緣體但卻是Li+ 的優良導體,Li+可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質界面膜”( solid electrolyte interface) ,簡稱SEI膜。SEI膜作用 有效防止有機溶劑共嵌入對電極材料結構造成破壞，從而保護電極材料結構的完整性，同時能夠較大提高電極循環性能和使用壽命。 五 鋰離子電池應用常見問題（五）鋰離子電池SEI膜定義與作用SEI膜定義 五 鋰離子鋰離子電池化成的目的激活電池芯內部活性物質；促使形成穩定的SEI膜；消除部分微量雜質元素、水分等。 五 鋰離子電池應用常見問題（六）鋰離子電池

19、化成的目的激活電池芯內部活性物質；五 鋰離子電池五 鋰離子電池應用常見問題（七）電池壽命與循環次數是否等同？五 鋰離子電池應用常見問題（七）電池壽命與循環次數是否等同五 鋰離子電池應用常見問題（八）C3與I3是否等同？有何區別？C3 3h率放電至截止電壓所釋放的容量，即額定容量I3 3h率放電電流，其數值等于C3/3(A)五 鋰離子電池應用常見問題（八）C3與I3C3 3h率放六 鋰離子電池滅火措施討論（一）問題提出:鋰離子電池能不能用水滅火六 鋰離子電池滅火措施討論（一）問題提出:鋰離子電池能不能六 鋰離子電池滅火措施討論（二）每1Ah的鋰電池有0.3克鋰元素中國航空協會六 鋰離子電池滅火措

20、施討論（二）每1Ah的鋰電池有0.3克六 鋰離子電池滅火措施討論（三）鋰離子電池滅火實驗演示六 鋰離子電池滅火措施討論（三）鋰離子電池六 鋰離子電池滅火措施討論（四）滅火劑或器材：水、黃沙、干粉滅火器、C02滅火器、滅火毯；測試記錄儀器：FLIR公司的A20帶測量功能紅外線攝像機；測試電池：軟包裝的0667168卷繞方形電池。實驗前準備實驗方案方案一：用水滅火方案二：用黃沙滅火方案三：用干粉滅火器滅火方案四：用CO2滅火器滅火方案五：用滅火毯滅火六 鋰離子電池滅火措施討論（四）滅火劑或器材：水、黃沙、干六 鋰離子電池滅火措施討論（五）方案一：用水滅火六 鋰離子電池滅火措施討論（五）方案一：用水

21、滅火六 鋰離子電池滅火措施討論（六）六 鋰離子電池滅火措施討論（六）六 鋰離子電池滅火措施討論（七）用水滅火不和電池發生促進燃燒的反應，因為在使用水的整個過程電池都在降溫，沒有出現瞬間高溫、爆炸等加劇反應現象；第1分27秒動用水滅火前電池燃燒溫度為超高275.1（從融化鋁660，不融化銅1083，確定燃燒溫度為660），滅火到第 1 分28 秒電池溫度降低到45.3，即降溫速度為大于615/秒。小結：六 鋰離子電池滅火措施討論（七）小結：六 鋰離子電池滅火措施討論（八）方案二：用黃沙滅火六 鋰離子電池滅火措施討論（八）方案二：用黃沙滅火六 鋰離子電池滅火措施討論（九）小結：用黃沙滅火未出現和電

22、池發生促進燃燒的反應，因為在使用黃沙的整個過程電池都在降溫，沒有出現瞬間高溫、爆炸等加劇反應的現象；第47秒動用黃沙滅火前電池燃燒溫度為超高275.1（從從融化鋁660，不融化銅1083，確定燃燒溫度為660），滅火到第 57秒電池溫度降低到215.2，即降溫速度為45/秒。六 鋰離子電池滅火措施討論（九）小結：六 鋰離子電池滅火措施討論（十）方案三：用干粉滅火器滅火六 鋰離子電池滅火措施討論（十）方案三：用干粉滅火器滅火六 鋰離子電池滅火措施討論（十一）小結：干粉滅火器不和電池發生促進燃燒的反應，因為在使用干粉整個過程都在降溫，沒有出現瞬間高溫、爆炸等加劇反應現象。 第1分18秒動用干粉滅火器前電池燃燒溫度為超高275.1（從從融化鋁660，不融化銅1083，確定燃燒溫度為660 ），滅火到第1分42 秒電池溫度降低到47.3，即降溫速度為26/秒。六 鋰離子電池滅火措施討論（