锂离子电池全解析——原理、结构、工艺篇.docx

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1、锂离子电池全解析一原理、结构、工艺篇目录前言11 .锂离子电池工作原理12 .锂电池工作原理和结构22 . 1.锂电池结构示意图23 . 2.锂电池工作原理3?锂电池充电过程3?锂电池放电过程4?电池保护板44 . 3. LiCOO2/C系锂离子电池工作原理55 .锂离子电池结构与材料56 . 正极67 .负极78 .电解液89 .隔膜910 锂离子电池制作工艺98. 1.电极制片108. 2.电芯装配108. 3.激活检测10前言锂系电池分为锂电池和锂离子电池。锂电池即锂金属电池，一般是指使用二氧化镒为正极材料、金属锂或其合 金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电反应为：Li+Mn

2、O2=LiMnO2然而，通常金属态的锂非常活泼，会与电解质产生不良反应，导致电解质 过热，甚至导致燃烧。由于金属锂的安全问题尚未完全突破，目前商用化的锂 系电池均为锂离子电池。1 .锂离子电池工作原理锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），主要依靠锂离子在正负极之间的 往返嵌入和脱嵌来工作，实现能量的存储和释放。以钻酸锂正极、石墨负极系锂离子电池为例：充电时，在外加电场的作用 下，正极材料LiCo分子中的锂元素脱离出来，成为带正电荷的锂离子Li+,从 正极移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生成LiC6,从而“稳定”的 嵌入到层状石墨负极中。放电时相反，内部电场转向，Li+从负极脱嵌，顺电

3、场 方向，回到正极，重新成为钻酸锂分子LiCOO2,这样的工作原理被形象的称为 “摇椅电池”。参与往返嵌入和脱嵌的锂离子越多，电池可存储能量越大。CurrentLiCoO2Caibon2 .锂电池工作原理和结构3 .1.锂电池结构示意图了解锂电池工作原理之前，先大概了解下锂电池的组成部分，如下示意图:图1锂电池结构示意图锂离子电池电池组成部分如下：(1)正极一一活性物质一般为镒酸锂或者钻酸锂，银钻镒酸锂材料，电动自 行车则普遍用银钻镒酸锂(俗称三元)或者三元+少量锯酸锂，纯的镒酸锂和磷酸 铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10-20 微米的电解铝箔。(2)隔膜一一

4、种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子 自由通过，而电子不能通过。(3)负极一一活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度 7-15微米的电解铜箔。(4)有机电解液一一溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝 胶状电解液。(5)电池外壳一一分为钢壳(方型很少使用)、铝壳、镀银铁壳(圆柱电池使用)、 铝塑膜(软包装)等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。4 .2.锂电池工作原理下面从锂电池充电过程、放电过程和电池保护板三大部分给大家介绍其工 作原理：聚合物锂离子电池原理正极LICoO2负极C图2锂电池工作原理闸翻锂电池充电过程氧炭钻理阍子电池的正极由锂离

5、子生成，生成的锂离子从正极“跳进”电解液里，通过 电解液“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，运动到负极，与早就通过外部电路跑 到负极的电子结合在一起。正极上发生的反应为：LiCoo2=充电=LiI-XCoo2+Xli+Xe（电子）负极上发生的反应为：6C+XLi+Xe=LixC6在充电的过程中，Li+从正极LiCo02中脱出，进入电解液，在充电器附加 的外电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在负极形成 LiC化合物。国翻锂电池放电过程放电时电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路径不同，电子从负极通过 外部电路跑到正极；锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯 曲曲的

6、小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。我们通常 所说的电池容量指的就是放电容量。画翻电池保护板顾名思义，电池保护板主要是针对可充电电池（一般指锂电池）起保护作用的 集成电路板。锂电池（可充型）之所以需要保护，是由于锂电池本身的材料决定了 它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池总会有保护板 和一片电流保险器出现。下图为电池板保护电路。PTC:正温度系数热敏电阻； NTC：负温度系数热敏电阻，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充 电设备能够及时反应，控制内部中断而停止充放电；Ul为电路保护芯片，U2 为两个反接的MOSFET开关。正常状态下电池板Ul的CO

7、和DO都输出高电压, 两个MoSFET都处于打开状态，电池可以自由充放电。图3充电保护简化原理图过充电保护：当Ul检测到电池电压达到过充保护门限，CO管脚输出低电 平，MOS管开关2由导通转为关闭，充电回路关断，充电器无法再对电池充电, 从而实现过充保护。过放电保护：在电池放电过程中，当Ul检测到电池电压低于过放保护门限 时，DO脚由高电平转变为低电平，MOS管开关1关闭，使电池无法再放电；过 放电保护状态下电池电压不能再降低，要求保护电路的电流极小，控制电路进 入低功耗。过流保护：正常情况下，电池对负载进行放电，电流经过两个串联 的MOS管开关，VM管脚检测到两个MOS管的压降电压为U。若负

8、载因某种原 因导致U异常，使回路电流增大，当U大于一定值时，DO管脚由高电压转变为 低电压，MoS管开关1关闭，从而使放电回路电流为零，达到过电流保护作用。2. 3. LiCo02C系锂离子电池工作原理充电Li1.x CoO2+xLi+xeCLixLi1.x CoO2+CLix正极反应：LiCoO2J由放电充电负极反应：C+xLi+xe- 4放电充电电池反应：LiCoOz+C+廿放电LiCo02C系锂离子电池充放电反应式3.锂离子电池结构与材料锂离子电池有着能适应不同应用场景的各种形状和构造，其主要构成均为正极、负极、隔膜、电解液及外壳。图4锂离子电池结构图:a,圆柱型锂离子电池b.方型锂离子

9、电池c.纽扣锂离子电池d,薄膜锂离子电池(图片出处： JMJ Armand M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries J. Nature, 2001, 414(6861): 359-367.4.正极为了实现上述能量存储与释放的功能，正极材料需要有稳定的电化学性能, 不易分解的结构，较高的氧化还原电位和越高越好的比容量，经过产学界长期 的研究和探索，现已付诸商用的正极材料有：磷酸铁锂(LFP)、钻酸锂(LC0)、 镒酸锂(LMO)以及三元材料：银钻锯酸锂(NCM)、银镒铝酸锂(NCA)等。正极材 料占锂离子电池成

10、本30%-40%,直接影响锂离子电池的能量密度和性能。图5磷酸铁锂注L其稳定的橄榄石结构，有助于在充放电即锂离子的脱出与嵌入过程中保持结构的稳定，不出现晶格坍塌。(图片来源：Chem. Mater., Vol. 22, No. 3,2010)在实际应用中，完整的锂离子电池正极结构除上述活性物质嵌锂化合物外 还包括导电剂、粘结剂和集流体。粘结剂将上述正极材料“固定”在正极基带 上，导电剂增强活性物质与基体的电导率，以达到更大的充放电电流，集流体 负责充当电池内外部的电荷转移桥梁。5 .负极负极材料需由相对于锂电极电势更低的材料构成，并具有高比容量和较好 的充放电可逆性，从而在嵌锂的过程中保持良好

11、的尺寸和机械稳定性。目前商用负极活性物质以碳材料石墨类为主。然而，常规石墨负极材料的 容量和倍率性能已经难以满足锂离子电池下游产品的需求。硅-碳(Si-C)复合材料 为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。产品容， (mAltzg)成本(万元/期循环性能倍率性能安全性能技术及配套 工艺成熟度天然石墨3507.3+人造石墨300-340-4.9+MCMB360-8.0+-H-+硬碳28(MoOT3+软碳240-2503.0+硅碳负极600-100020.0+-H-0来源：鑫楞咨讯，中国储能网负极的结构与正极基本相同，使用粘结剂来固定活性物质，使用铜箔作为 基体和集流体来充当电流的导体，由于石墨

12、本身具有良好导电性，一般无需添 加导电剂材料。6 .电解液电解液在正负电极间起到运输电荷的作用，它影响着锂离子电池的能量密 度、功率密度、宽温应用、循环寿命、安全性能等因素。理想的电解液应具有 高的离子电导率，宽的电化学稳定窗口(0-5V)不与集流体和恬性物质发生化学反 应，和好的热稳定性以实现更大的工作温度范围，且安全、无毒、无污染。基于这些原则，经过长期的工程探索，人们找到了由高纯度的有机溶剂、 电解质锂盐、和必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的 电解液。7 .隔膜我们希望电池的存储能量尽可能多而体积尽可能小，于是正负极之间的距 离越来越小，短路成为一个巨大的风险。为了防

13、止正负极材料短路，造成能量 的剧烈释放，就需要用一种材料将正负极“隔离”开来，这就是隔膜的由来。隔膜的孔径需满足良好的离子通过性，吸液保湿能力强，保持离子导电性; 同时具有电子绝缘性，以实现正负极之间绝缘的机械隔离，此外应有足够的穿 刺强度、拉伸强度等力学性能及耐腐蚀性和足够的电化学稳定性。目前市场上 的隔膜主要采用聚烯微多孔膜如PE、PP或其复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔 膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。除了以上材料外，一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、 壳体（铝，钢，复合膜等），以及其他辅助材料。8 .锂离子电池制作工艺锂离子电池的制备工艺包括：电极制片电芯装配激活检测PACK电池组装。8. 1.电极制片极片是电池结构中最核心的部分，直接影响电池性能。极片制作要求粒度分布均匀、极片涂布均匀、分切后极片无毛刺，无变形, 无粉尘影响、以及高效节能、自动化的生产技术。8.2. 电芯装配卷绕/叠片：极片卷绕/叠片为电芯；注液：在卷绕的极片中加入电解液；封装：焊接正负极片，盖帽等；电芯烘烤：除水，水分影响电池性能。8. 3.激活检测检测：短路检测，壳体缺陷检测，容量、内阻、内压、自放电、安全性能、 循环性能检测等；化成：首次充电激活电池；分容：将电池进行一致性筛分，一致性差的电池一起使用对电池损害较大。