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锂离子电池基础知识主讲人：罗朝晖 2011年11月26日纲要二、锂离子电池基本原理三、锂离子电池主要性能指标四、锂离子电池与其他种类电池的比较一、电池发展史五、锂离子电池制作基本工艺流程简介电池发展史• 电池的诞生电池的诞生，基于人们对于获取持续而稳定的电流的需要不过，电池的发明，是来源于一次青蛙的解剖实验所产 生的灵感，多少有些偶然1780年的一天，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中 同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下， 仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙 ，就无此种反应伽伐尼认为，出现这种现像是因为动物躯 体内部产生的一种电，他称之为“生物电”电池发展史• 伏特电堆伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法而意大利物 理学家伏特（Alessandro Volta）在多次实验后则认为：青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用 为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液 中进行试验结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液 发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。

1799年，伏特 成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组电池发展史• “本生电池”和“格罗夫电池”1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆 续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，搬运 很不方便，特特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危 险电池发展史• 干电池的诞生 干电池在19世纪中后期诞生法国的雷克兰(George Leclanche)在1860年发明一种新型电池它的负极是锌和汞的合 金棒(锌－伏特原型电池的负极，经证明是作为负极材料的最佳金 属之一)，而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混合物在此混合物中插有一根碳棒作为电流收集器负 极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中此系统被称 为“湿电池”雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜，到1880年，这种电池被改进的“干电池”取代负极被改进成锌罐（即电池的外壳），电解液变为糊状而非液体，基本上这就是现在我们所 熟知的碳锌电池 电池发展史• 可充电电池在干电池技术的不断发展过程中，新的问题又出现了人们发现，干电池尽管使用方便、价格低廉，但用完即废，无法重新利用 。

另外，由于以金属为原料容易造成原材料浪费，废弃电池还会造 成环境污染于是，能够经过多次充电放电循环，反复使用的蓄电 池成为新的方向蓄电池的最早出现时间同样可以追溯到1860年当年，法国 人普朗泰（Gaston Plante）发明出用铅做电极的电池这种电池的独特之处是，当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反 向电流，使电池电压回升因为这种电池能充电，并可反复使用， 所以称它为“蓄电池”1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，1910年可充电的铁镍电池商业化生产电池发展史• 锂离子电池进入20世纪后，电池理论和技术一度处于停滞状态，但在二次世界大战之后，随着一些基础研究在理论上取得突破、新型电极材 料的开发和各类用电器具日新月异的发展，电池技术又进入了一个 快速发展的时期，科学家首先发展了碱性锌锰电池进入80年代，科学技术发展越发迅速，对化学电源的要求也日益增多、增高如集成电路的发展，要求化学电源必须小型化；电 子器械、医疗器械和家用电器的普及不仅要求化学电源体积小，而 且还要求能量密度高、密封性和贮存性能好、电压精度高因此电 池池的研究重点转向蓄电池，1988年，镍镉电池实现商品化。

1992年，锂离子电池实现商品化，1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场 电池发展史电池发展基本过程：•1890年Thomas Edison 发明可充电的铁镍电池；•1896年在美国批量生产干电池；•1896年发明D型电池；•1899年Waldmar Jungner 发明镍镉电池；•1910年可充电的铁镍电池商业化生产；•1911年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂）；•1914年Thomas Edison 发明碱性电池；•1934年Schlecht and Akermann 发明镍镉电池烧结极板；•1947年Neumann 开发出密封镍镉电池；•1949年Lew Urry (Energizer) 开发出小型碱性电池；•1954年Gerald Pearson, Calvin Fuller and Daryl Chapin 开发出太阳能电池；电池发展史•1956年Energizer.制造第一个9伏电池；•1956年我国建设第一个镍镉电池工厂（风云器材厂（755厂）；•1960前后Union Carbide.商业化生产碱性电池，我国开始研究碱性电池（西安庆华厂等三 家合作研发）；•1970前后出现免维护铅酸电池；•1970前后一次锂电池实用化；•1976年Philips Research的科学家发明镍氢电池；•1980前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金；•1983年我国开始研究镍氢电池（南开大学）；•1987年我国改进镍镉电池工艺，采用发泡镍，电池容量提升40％；•1987前我国商业化生产一次锂电池；电池发展史•1989年我国镍氢电池研究列入国家计划；•1990前出现角型（口香糖型）电池；•1990前后镍氢电池商业化生产；•1991年Sony.可充电锂离子电池商业化生产；•1992年Karl Kordesch, Josef Gsellmann and Klaus Tomantschger 取得碱性充电电池专利；•1992年Battery Technologies, Inc.生产碱性充电电池；•1995年我国镍氢电池商业化生产初具规模；•1999年可充电锂聚合物电池商业化生产；•2000年我国锂离子电池商业化生产；•2000后燃料电池，太阳能电池、磷酸铁锂电池成为全世界瞩目的新能源发展问题的焦点，中南大学处于国内领先地位。

锂离子电池基本原理锂离子电池的主要组成：（1）正极——活性物质主要指钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、 镍钴锰酸锂等，导电集流体一般使用厚度在10--20微米的铝箔；（2）隔膜——一种特殊的塑料膜，可以让锂离子通过，但却是电子的 绝缘体，目前主要有PE和PP两种及其组合还有一类无机固体隔膜，如氧化铝隔膜涂层就是一种无机固体隔膜，；（3）负极——活性物质主要指石墨、钛酸锂、或近似石墨结构的碳材 料，导电集流体一般使用厚度在7-15微米的铜箔；（4）电解液——一般为有机体系，如溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，另有些聚合物电池使用凝胶状电解液；（5）电池外壳——主要分为硬壳（钢壳、铝壳、镀镍铁壳等）和软包（铝塑膜）两种 锂离子电池基本原理机理简介：当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极负极的 炭材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂 离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充 电容量越高当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极 回正极的锂离子越多，放电容量越高我们通常 所说的电池容量指的就是放电容量在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从 正极→负极→正极的运动状态。

这就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端 来回运动所以锂离子电池又叫摇椅式电池 锂离子电池基本原理充放电机理：•锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流充电阶段和恒 压电流递减充电阶段•锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏过度 放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过 程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极 碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来 •锂离子电池保持性能最佳的充放电方式为浅充浅放一般 60%DOD是100%DOD条件下循环寿命的2~4倍锂离子电池主要性能指标• 电池的容量电池的容量有额定容量和实际容量之分电池的额定容量 是指电池在环境温度为20℃±5℃条件下，以5h率放电至终止 电压时所应提供的电量，用C5表示电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和 温度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）容量单位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)锂离子电池主要性能指标• 电池内阻 电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力有欧姆内阻与极化内阻两部分组成电池 内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩 短。

内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构 等因素的影响电池内阻是衡量电池性能的一个重要参 数锂离子电池主要性能指标• 电压开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差一般情况下，锂离子电池充满电后 开路电压为4.1—4.2V左右，放电后开路电压为3.0V左右通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所造成阻力，故工 作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反锂离子电池的放 电工作电压在3.6V左右锂离子电池主要性能指标• 放电平台时间放电平台时间是指在电池满电情况下放电至某电压的放 电时间例对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒压充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.02C时停止充电即 充满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电 至3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间因某些使用锂离子电池的用电器的工作电压都有电压要求，如果低于要求值，则会出现无法工作的情况所以放电 平台是衡量电池性能好坏的重要标准之一。

锂离子电池主要性能指标• 充放电倍率充放电倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量 时所需要的电流值，1C在数值上等于电池额定容量，通 常以字母C表示如电池的标称额定容量为10Ah，则10A 为1C（1倍率），5A则为0.5C，100A为10C，以此类推锂离子电池主要性能指标• 自放电率自放电率又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力 主要受电池的制造工艺、材料、储存条件等因素的影 响是衡量电池性能的重要参数锂离子电池主要性能指标• 效率充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程度的量度主要受电池工艺，配方及 电池的工作环境温度影响，一般环境温度越高，则充电效率 要低放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比，主要受放电倍率，环境温度，内阻等因素影响，一般情况下，放电倍率越高，则 放电效率越低温度越低，放电效率越低 锂离子电池主要性能指标• 循环寿命电池循环寿命是指电池容量下降到某一规定的值时，电池在某一充放电制度下所经历的充放电次数锂离子电池 GB规定，1C条件下电池循环500次后容量保持率在60%以上。

锂离子电池与其他种类电池的比较• 电压高单体电池工作电压高达3.7V，是镍镉电池、镍氢电池的3倍，铅 酸电池的近2倍，这也是锂离子动力电池比能量高的一个重要原因因此组成相同电压的动力电池组时，锂离子动力电池使用的串联数目 会大大少于铅酸电池和镍氢电池如果动力电池中单体电池数量越多 ，电池组中单体电池的一致性要求就越高，寿命就越不好做，在实际 使用过程中电池组有问题分析后，一般是其中一、两个单体电池出问 题然后导致整组电池出现问题，因此不难理解为什么48V的铅酸电池 比36V的铅酸电池反馈要高，从这个角度上讲锂电更适合动力电池的 使用例如36V 的锂电只需要10个单体，而36V铅。