鋰電池基礎知識科普

鋰電池基礎知識

Black匯報目錄電池基礎知識正極材料負極材料隔膜電解液其它材料電池測試知識公司電池產品電池基礎知識2什么是電池？化學電源俗稱為電池，是一種利用物質的化學反應所釋放出來的能量直接轉化為電能的裝置。任何電池都由四個部分組成，即由電極、電解質、隔離物及外殼組成。隔離物正負極板（電極）外殼電池基礎知識所有電池都是可以提供動力的，只是大與小的關系（較大規(guī)模的儲能裝置可以超過GWh，而應用與藍牙耳機或者手機電池上的電池僅為0.1-5Wh)，因此只要是可以稱之為能量儲存的載體都可以被稱為動力電池；兩種不同的極板在均相或者異相的介質中，由于存在并產生的電勢差，在外加負載的驅動下，發(fā)生氧化還原反應，內部電流的移動產生電流。如果電化學反應可以逆轉則定義為二次電池，如果不可逆則定義為一次電池（原電池）！儲能裝置分類電池/化學儲能裝置分類電池基礎知識幾種常見的鋰離子電池；鋰離子電池分類圖電池基礎知識容量Ah能量Wh電池單體Cell電池模組Module電池系統(tǒng)System質量能量密度Wh/kg體積能量密度Wh/L循環(huán)壽命Cyclelife日歷壽命Calendarlife直流內阻DCR交流內阻ACR開路電壓OCV放電平臺DP恒流恒壓充電CC/CV

了解鋰離子電池的基本結構以及對于鋰離子電池的性能表征術語有助于對鋰離子電池基本知識有一個初步的掌握！電池基礎知識6鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池比能量(wh/kg)35~4075~80100~190比功率(w/kg)50160~230280~320體積比能量(wh/L)80100~200250~500電壓(V)21.23.2~3.7工作溫度(℃)0~60-20~60-20~60自放電率(%)4~530~35<5循環(huán)壽命300~500次500~1000次500~5000次優(yōu)點原材料豐富，價廉，技術成熟高倍率放電好，耐過充，壽命長，安全性好能量密度高，工作電壓高，輸出功率大，自放電小，壽命長缺點比能量低，壽命短，耐過充放差，污染環(huán)境工作電壓低，自放電率高成本較高，需防止過充放電，安全性能較低不同電池性能對比電池基礎知識鋰離子電池的特點能量密度高相同的體積，它的重量輕；相同的重量，它的體積小使用壽命長可重復使用幾百到幾千次電性能穩(wěn)定（自放電?。╂嚉潆姵貎Υ鏁r間長電量損失會很大，而鋰離子電池則幾乎沒有什么電量損失無污染符合綠色環(huán)保的要求無記憶效應鎳隔電池等每次需要把電全部放完才能再充電，否則就充不滿；而鋰離子電池不需要將電全部放完，“想充就充”電池基礎知識

鋰離子電池的應用電動自行車電動汽車便攜式電器驅動電源電動工具電動大巴電網(wǎng)調峰儲能電源風光互補電池基礎知識單體鋰電池的組成正極片：活性物質、導電劑、粘結劑、溶劑、基體負極片：活性物質、導電劑、粘結劑、溶劑、基體外殼、隔膜、電解液等其他材料。電池基礎知識其他材料外殼電解液高溫膠帶隔膜電池基礎知識活性物質：LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4以及三元復合等材料。導電劑：SP、KS系列、VGCF、CNTs等。粘結劑：PVDF系列、聚氨酯樹脂等水性系列。溶劑：NMP、水。基體：鋁箔。正極片相關物料電池基礎知識負極片相關物料活性物質：石墨、鈦的氧化物、合金材料以及碳納米管等材料。導電劑：SP、KS系列、VGCF、CNTs等。粘結劑：CMC+SBR溶液、聚氨酯樹脂等水性系列。溶劑：水?；w：銅箔。正極材料

作為理想的鋰離子電池正極材料，鋰離子嵌入化合物必須滿足以下要求：（1）具有較高的氧化還原電位，保證鋰離子電池的高電壓特性；（2）允許大量的鋰離子嵌入脫出，保證鋰離子電池的高容量特性；（3）嵌入脫出過程的可逆性好，充放電過程中材料結構變化較??；（4）鋰離子能夠快速的嵌入和脫出，有高的電子導電率和離子導電率；（5）在電解液中化學穩(wěn)定性好；（6）低廉，容易制備，對環(huán)境友好等。目前動力電池應用最多的材料是三元、LiFePO4等。正極材料

鋰離子電池不同正極材料的比較項目鈷酸鋰三元材料錳酸鋰磷酸鐵鋰理論比容量(mAh/g)274273148170實際比容量1C(mAh/g)145150110145工作電壓(V)3.73.63.83.2壓實密度(g/cc)4.03.52.82.3循環(huán)壽命5008005002000價格高較高低較低安全性差較好好很好應用領域小型電池小型電池動力電池動力電池動力電池正極材料鈷酸鋰磷酸鐵鋰三元材料錳酸鋰正極材料負極材料不同碳材料在結晶度、粒度、孔隙度、微觀形態(tài)、比表面積、表面官能團、雜質等多方面存在差異，對其結構特征、化學性質與電化學行為的關系進行了廣泛研究。石墨化碳無定形碳天然石墨人工石墨碳纖維石墨化中間相碳微球（軟碳）：焦炭中間相碳微球（硬碳）：高分子熱解碳負極負極材料中間相碳微球天然石墨人造石墨鈦酸鋰負極材料C…LiC（≥36）LiC（≥27）LiC（12）LiC（6）充電隔膜隔膜的主要功能

在電池內部將正、負極板分隔開來，防止 兩極接觸造成短路

有允許電解質中離子通過的能力

有保持電解液的能力

有一定保護電池安全的能力隔膜對電池性能的影響電池的內阻電池的容量電池的安全性電池的成品率隔膜隔膜的分類

按材料分 PP、PE、PP/PE復合

按制造方法分 干法、濕法按結構分 單層PP、PE

雙層PP、PE

三層PP/PE/PP制造方法干法濕法單向拉伸法吹膜法雙向拉伸法代表廠家日本宇部深圳星源臺灣高銀美國Celgard新鄉(xiāng)格瑞恩桂林新時日本：Asahi，Tonen，Nitto，三井美國：Entek韓國：Wide、W-Able、SK、W-scope中國：佛山金輝隔膜PPPEPP/PE/PP結構單層、雙層單層、雙層三層生產方法干法干法、濕法干法優(yōu)點機械強度高耐熱性好透過性好均勻性好安全性好（閉孔溫度約130℃）綜合了PP、PE膜優(yōu)點，機械強度好，安全性更高缺點安全關斷性能不如PE（閉孔溫度＞150℃）耐高溫性能不如PP高溫透過性差應用范圍一次電池、二次電池、大功率電池二次電池高端二次電池不同材質和結構隔膜的特點隔膜Dry(Celgard)Wet（Tonen）隔膜

鋰離子電池對隔膜性能的要求

隔膜的質量直接地影響了電池的安全性能及容量等 △化學穩(wěn)定性----電解液為有機溶劑體系，耐有機溶劑 △機械性能

----隔膜的拉伸強度高，穿刺強度高 △熱穩(wěn)定性

----收縮率低，具有較低的閉孔溫度和較高的破膜溫度 △透過率好

----孔隙率高，孔徑分布均勻、透氣性好 △表面無靜電

-----不吸塵、易分離 △電解液浸潤性

-----與電解液相容性好，吸液率高 △均勻性

----厚度、透過率、熱收縮等隔膜PVDF勃姆石氧化鋁PVDFPVDF+陶瓷PVDF+陶瓷陶瓷隔膜涂膠隔膜涂膠陶瓷隔膜涂層隔膜隔膜隔膜Ceramiccoating增強隔膜的耐刺穿強度、增強其吸液率、增強高溫下的形貌控制等是提高電池安全的前提！

隔膜耐高溫性：陶瓷涂層具有優(yōu)異的耐高溫特性，180℃以上還能保持隔膜形態(tài)。高安全性：陶瓷涂層中和電解液中游離的HF，提升電池耐酸性，減少鋰枝晶的穿透。高倍率性：陶瓷涂層中Al2O3在鋰電池中可形成固溶體，提高電池的倍率性和循環(huán)性。低容量損失：陶瓷涂層中Al2O3可抑制氧的生成和LiPF6的分解，減少電化學比容量損失。良好浸潤性：陶瓷涂層改善了電解液的浸潤，提高吸液量和保液量。低自放電率：陶瓷涂層增加了微孔曲折度，降低自放電率。循環(huán)壽命長：陶瓷涂層降低了循環(huán)過程中的機械微短路，有效提升循環(huán)壽命。

陶瓷涂覆隔膜優(yōu)勢隔膜優(yōu)點高安全性高能量密度電池界面良好低自放電高保液量長循環(huán)壽命涂膠陶瓷隔膜兼具陶瓷隔膜安全性和粘性隔膜的粘結性，在卷繞、疊片電池中均已批量化應用（LG化學&ATL）涂膠隔膜LG化學-卷繞式疊片既具有卷繞型電池的高效，

又具有疊片電池的高性能！隔膜圖1PE材料的峰值在130℃左右內阻直線上升圖2隔膜材質與熱特性1隔膜PE材料峰值PP材料的峰值圖3圖4TMADATA隔膜電解液電解液電解液簡介電解液是以適當鋰鹽溶解在有機混合溶劑中的溶液。一般為1mol/L鋰鹽的混合碳酸酯構成。鋰離子電池電解質液體電解質固體電解質液固復合電解質有機液體電解質室溫離子液體電解質固體聚合物電解質無機固體電解質凝膠電解質電解液電解液對電池性能的影響：6.對電池自放電的影響1.對電池容量的影響2.對電池內阻及倍率充放電性能的影響3.對電池操作溫度范圍的影響4.對電池儲存和循環(huán)壽命的影響5.對電池安全性的影響電解液1.對電池容量的影響a.表現(xiàn)為電極與電解液的相容性。可逆容量高，電池容量損失大，容量不能正常發(fā)揮。2.對電池內阻及倍率充放電性能的影響R＝Rs（物理內阻）＋Ref（電極/電解液界面內阻）＋Rf（極化內阻）a.電解液離子導電內阻遠大于電子導電內阻。b.Ref明顯高于Rs，是鋰離子電池內阻的重要組成部分。倍率充放電性能取決于Li＋在電極材料中的遷移率、電解液的電導率、電極/電解液相界面的鋰離子遷移性，后兩者與電解液性質和組成密切相關。電解液4.對電池儲存和循環(huán)壽命的影響a.電極活性物質在充放電過程中的活性比表面不斷減小，電池工作是的電流密度增大，電池內阻逐漸升高。b.電極集流體腐蝕，電極上的活性物質脫落或轉移，失去應有的電化學活性。3.對電池操作溫度范圍的影響a.低溫時，電解液電導率下降，鋰離子無法遷移，電池性能明顯下降，甚至無法使用。b.高溫時，電極反應加劇，但電極/電解質相界面的副反應也同時被加劇，對電池有較大破壞性，影響電池性能。電解液過充時，負極表面發(fā)生金屬鋰沉積，正極表面出現(xiàn)電解質在高電位條件下的氧化分解，電池發(fā)生熱失控。主要仍然是電解液本身的揮發(fā)性和高度的可燃性。5.對電池安全性的影響6.對電池自放電的影響a.負極的自放電。主要源于負極的鋰以Li＋形式拖出或進入電解質，其速率取決于負極的表面狀況和表面催化活性，而負極的表面狀況受電解質的影響十分明顯，優(yōu)化電解液體系可減小電池的自放電。b.正極的自放電是指電解液中的鋰離子嵌入到正極材料的晶格中，而引發(fā)正極的自放電。主要是正極/電解質的界面性質。c.雜質是造成自放電的重要原因。因為雜質的氧化電位一般低于鋰離子電池的正極電位，易在正極表面氧化，氧化物又在負極還原，不斷消耗正負極活性物質，引起自放電。Back電解液有機電解液的性能要求1，離子電導率高2，電化學穩(wěn)定的電位范圍寬3，熱穩(wěn)定性好，工作溫度范圍寬4，化學穩(wěn)定性好，與集流體及活性物質不反應5，無毒，無環(huán)境污染6，價格便宜電解液有機溶劑（解離鋰鹽、提供Li+傳輸介質）添加劑（少量使用，改善性能）鋰鹽（提供載流子：Li+）電解液鋰鹽分類分子式備注無機陰離子鹽LiPF6應用最廣LiBF4

不穩(wěn)定，電導率低LiClO4

高溫或高電壓危險LiAsF6有毒有機陰離子鹽LiCF3SO3，LiN(C2F5SO2)2,LiC(CF3SO2)3LiN(CF3SO2)2等

腐蝕集流體LiPF3(C2F5)3,Li(C4F9SO2)(CF3SO2)N等合成困難或價格昂貴LiBOB等成膜性能好，溶解度低解離常數(shù)大小為LiN(CF3SO2)2>LiAsF6>LiPF6>LiClO4>LiBF4>LiCF3SO3

離子導電性大小為LiAsF6>LiPF6>LiN(CF3SO2)2>LiClO4>LiBF4>LiCF3SO3

熱穩(wěn)定性順序為LiAsF6～LiCF3SO3>LiBF4>LiClO4

～LiN(CF3SO2)2>LiPF6

電解液電解液有機溶劑鋰離子電池所用的有機溶劑為不與鋰反應的非質子溶劑常用有機溶劑1.烷基碳酸酯alkylcarbonate

碳酸乙烯酯EC,碳酸丙烯酯PC,

碳酸二甲酯DMC,碳酸二已酯DEC,EMC等2.醚ether

二甲醚DME,

四氫呋喃THF等3.酯ester

甲基已酸酯MA

甲基丙酸酯MP等電解液添加劑

特點：(1)較少用量即能改善電池的一種或幾種性能；(2)對電池性能無副作用，不與電池中其它材料發(fā)生副反應；(3)與有機溶劑有較好的相溶性，甚至能完全溶于其中；(4)價格相對較低；(5)無毒性或毒性較小。用量少，見效快電解液多功能添加劑阻燃添加劑過充電保護添加劑SEI成膜添加劑導電添加劑控制電解液中水和HF含量的添加劑改善高低溫性能的添加劑添加劑的種類電解液固體添加劑；Li2CO3

等無機成膜添加劑碳酸酯有機成膜添加劑氣體添加劑；CO2,SO2等硫代有機溶ES亞硫酸乙烯酯等鹵代有機成膜添加劑鹵代EC氯甲酸甲酯等VC：碳酸亞乙烯酯等成膜添加劑SEI成膜添加劑電解液穩(wěn)定劑與H2O或HF作用，降低H2O與LiPF6的作用改善高低溫性能的添加劑導電添加劑與鋰離子或者鋰鹽陰離子作用，減小Li+與陰離子間的相互作用，增加Li+遷移數(shù)，減小陰離子遷移數(shù)和降低陰離子電化學活性過充電保護添加劑具有氧化還原電對：鄰位和對位二甲氧基取代苯；聚合增加內阻，阻斷充電，如聯(lián)苯、環(huán)己基苯等等電解液阻燃添加劑高沸點、高閃點和不易燃的溶劑如：磷酸三甲酯，磷氮烯(Phosphazene)(1)有機磷化物(2)有機氟代化合物如：CH2F-EC、CHF2-EC和CF3-EC(3)鹵代烷基磷酸酯烷基磷酸酯中的部分氫原子用氟原子取代多功能添加劑具有上述一種或多種功能的添加劑導電劑什么是導電劑？導電劑——導電添加劑特點：添加量少

導電性好：活性物質電子傳遞的重要樞紐導熱性好(特別是石墨)

無毒環(huán)境友好化學穩(wěn)定性高純度相對低的制造成本導電劑鋰離子電池中為什么要加導電劑？添加目的：使電池活性材料中形成有效的導電網(wǎng)絡。正極：理想狀態(tài)下應是離子和電子的混合導體?；钚圆牧蠟檫^渡金屬氧化物，導電性一般都不佳。導電劑導電劑的種類導電劑纖維狀導電劑顆粒狀導電劑乙炔黑(AB)炭黑(KB)

石墨（ks-6）

金屬纖維氣相生長碳纖維(VGCF)碳納米管CNTs導電劑導電劑導電劑的導熱系數(shù)：Super-P：200W/(mK)VGCF：1200-2000W/(mK)CNTs：3000-3500W/(mK)Graphene：4000-6500W/(mK)電池設計工程師以不斷的降低電池內阻為電池設計的終極目的，一方面要降低電池的產熱量；另一方面，導熱也是非常重要的！VGCFCNTsGraphene200nm石墨烯性能特點：

TheoryBET：2600m2/gvs.CNT200g/m2提高材料的吸液保液能力優(yōu)異的導熱性能3000W/(m·K)室溫下高速的電子遷移率15000cm2/(V·s)達到了光速的1/300提高電子的傳輸速度超強的力學性能1060Gpa憑借石墨烯優(yōu)異的導電性能，我們對其作為導電添加劑應用于鋰離子電池進行了開發(fā)和研究。缺點：石墨烯片易回疊，增加分散難度

石墨烯二維中，其中一維方向只導電子不導離子石墨烯LiFePO4Graphene石墨烯基于其“至薄至柔”的結構特征，石墨烯可以通過“面-點”的接觸模式在活性材料顆粒中形成有效導電網(wǎng)絡，再加上較大的比表面積和電導率，與傳統(tǒng)導電添加劑相比，具有非常高的導電效率。完全分離的石墨烯分散在LiFePO4顆粒中間，呈現(xiàn)非常薄并且柔性的二維片層，可以很容易地通過相互搭接而在LiFePO4顆粒之間形成導電網(wǎng)絡，而導電炭黑顆粒是近乎零維的球形顆粒，需要在電極內部通過大量聚集形成導電網(wǎng)絡，所以構成有效導電網(wǎng)絡時需要量要遠大于石墨烯材料。石墨烯導電劑2.2.石墨烯導電劑應用優(yōu)勢53石墨片/石墨烯點-面炭黑點-點CNTs點-線初代導電劑二代導電劑三代導電劑離域π鍵，CNTs與石墨烯為sp2結構，導電能力顯著優(yōu)于炭黑sp3結構導電面積，相同層數(shù)的CNTs與石墨烯，石墨烯導電面積≈2CNTs

有效導電，相對于CNTs，石墨烯可卷曲依附于活性物質表面，形成更均一的導電網(wǎng)絡極片壓實，導電劑用量降低，且依附于活性物質顆粒表面，極片壓實具備提升空間石墨烯導電劑石墨烯導電漿料系列名稱編號導電劑（%）粘度(mPa·s)2%添加在LFP正極中電阻率（Ω·cm）金屬雜質（ppm）石墨烯復合導電漿料HX-G65±0.21500~2500≤20Fe,Co,Cu,Zn,Cr,Ni單元素≤20總量≤40石墨烯導電漿料HX-GS-14±0.215000~20000≤10Fe,Co,Cu,Zn,Cr,Ni單元素≤10總量≤20高導電性、高純度優(yōu)異的分散體系避免現(xiàn)有出現(xiàn)同類產品易沉降、高溫循環(huán)差等問題產能：10000噸/年用途：鋰離子二次電池正極導電劑，專門針對于LFP正極-Confidential-石墨烯導電劑HX-G6復合導電劑添加到LFP中電池測試知識測試標準：GB,UL,UN38.3等；測試內容：電性能測試：循環(huán)、低溫、高溫、倍率等；安全性能測試：過充、過放、針刺、擠壓等；電池測試知識測試樣品電池性能測試項目測試溫度測試方法單體及模組放電性能容量/能量測試-放電55℃

電池單體放置環(huán)境倉中，調節(jié)環(huán)境倉溫度并充分靜置，至電池內部溫度為55℃、25℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃，將電池單體按1C放電至Vmin后停止放電，記錄不同溫度下的放電容量和放電能量及電池表面溫度。（注-20℃放電至0.8Vmin后停止放電）25℃0℃-20℃倍率充電性能倍率充電曲線（倍率充電溫度)25℃電池單體放置環(huán)境倉中，調節(jié)環(huán)境倉溫度并充分靜置，至電池為25℃，將空電態(tài)的電池單體以不同倍率恒流充電至Vmax，恒壓至0.05C后停止充電，記錄不同溫度下、不同倍率下的充電測試數(shù)據(jù)。（測試過程同步記錄電池表面溫度變化）倍率放電性能倍率放電曲線（倍率放電溫度)25℃電池單體放置環(huán)境倉中，調節(jié)環(huán)境倉溫度并充分靜置，至電池為25℃，將電池單體以不同倍率放電至Vmin后停止放電，記錄不同溫度下、不同倍率下的放電測試數(shù)據(jù)。（測試過程同步記錄電池表面溫度變化）功率性能HPPC25℃以0℃測試為例：在電池單體滿電狀態(tài)下然后以0℃下單體電池1C放電容量為參照，放10%SOC的電，靜置1h；再用5C放電10s，擱置40s，用3.75C充電40s，在以0℃下單體電池1C放電容量為參照調節(jié)SOC值，總計放出10%SOC的電，靜置1h。放電至第10個10%的容量結束。以此類推測試不同SOC值下的HPPC，通過計算出不同SOC下的內阻DCR和功率值P。0℃-20℃擱置性能室溫荷電保持及容量恢復能力25℃1）滿電態(tài)電池在25℃下存儲28d，按1C恒流放電至Vmin，計量荷電保持容量。2）滿電態(tài)電池按1C恒流放電至Vmin，計算恢復容量。高溫荷電保持及容量恢復能力55℃1）滿電態(tài)電池在55℃下存儲7d，按1C恒流放電至Vmin，計量荷電保持容量。2）滿電態(tài)電池按1C恒流放電至Vmin，計算恢復容量。存儲45℃以半電態(tài)電池在45±2℃下靜置28d，在室溫下擱置5h，按1C恒流放電至Vmin，擱置1h，按0.5C恒流充電至Vmax，恒壓充至0.05C充滿電后再以1C恒流放電至Vmin，計算放電容量。電池測試知識測試樣品測試項目測試溫度測試方法單體循環(huán)壽命性能55℃按1C恒流放電至Vmin，擱置10min，按1C恒流充電至