項(xiàng)目二常見動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用PART021.了解鋰離子動(dòng)力電池的類型及特點(diǎn)。2.掌握鋰離子動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)與工作原理。3.理解鋰離子動(dòng)力電池的性能及檢測(cè)。4.熟悉鋰離子動(dòng)力電池在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。任務(wù)目標(biāo)一、鋰離子動(dòng)力電池的類型及特點(diǎn)（一）鋰離子動(dòng)力電池的類型1.根據(jù)電池所用電解質(zhì)材料不同分類根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池兩大類。液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質(zhì)，有圓形和方形兩種。聚合物鋰離子電池則以固體聚合物作為電解質(zhì)。這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前聚合物鋰離子電池大部分采用聚合物凝膠電解質(zhì)。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.根據(jù)電池正極所用材料不同分類（1）磷酸鐵鋰電池。（2）錳酸鋰電池。（3）鈷酸鋰電池。（4）三元鋰離子電池。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用3.根據(jù)電池負(fù)極所用材料不同分類（1）嵌入型負(fù)極材料鋰離子電池。（2）合金化型負(fù)極材料鋰離子電池。（3）轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料鋰離子電池。（4）鈦酸鋰為負(fù)極材料鋰離子電池。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（二）鋰離子動(dòng)力電池特點(diǎn)作為新一代綠色可充電池，鋰離子電池相對(duì)于其他類型電池，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，如工作電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等，但同時(shí)它也存在一些缺點(diǎn)，如內(nèi)阻大、工作溫度范圍過寬等。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（二）鋰離子動(dòng)力電池特點(diǎn)任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1.鋰離子動(dòng)力電池的優(yōu)點(diǎn)（1）工作電壓高。（2）能量密度高。（3）循環(huán)壽命長(zhǎng)。（4）自放電率小。（5）無記憶效應(yīng)。（6）環(huán)保性高。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.鋰離子動(dòng)力電池的缺點(diǎn)（1）內(nèi)阻大。（2）充放電壓范圍過寬。（3）與普通電池相容性差。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用二、鋰離子動(dòng)力電池組成與工作原理（一）鋰離子動(dòng)力電池的組成鋰離子動(dòng)力電池與鎳氫動(dòng)力電池等其他類型電池結(jié)構(gòu)相似，其主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、安全閥、電池鋼殼、頂部蓋板等組成。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1.鋰離子動(dòng)力電池的正極材料（1）層狀化合物。①鈷酸鋰。②鎳酸鋰。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（2）尖晶石型結(jié)構(gòu)。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（3）橄欖石型結(jié)構(gòu)。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.鋰離子動(dòng)力電池的負(fù)極材料任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（1）碳材料。碳材料是目前商品化的鋰離子電池應(yīng)用最為廣泛的負(fù)極材料。碳負(fù)極材料包括石墨、無定型炭。（2）氧化物負(fù)極材料。氧化物是當(dāng)前研究的另一種負(fù)極材料體系，包括金屬氧化物、金屬基復(fù)合氧化物和其他氧化物。（3）金屬及合金類負(fù)極材料。金屬鋰是最先被采用的負(fù)極材料，理論比容量為3860A·h/kg。鋰能與許多金屬在室溫下形成金屬間化合物。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用3.鋰離子動(dòng)力電池的電解質(zhì)用于鋰離子電池的電解質(zhì)有四類：非水液體電解質(zhì)、膠體電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)、固體電解質(zhì)。非水液體電解質(zhì)是鋰鹽溶于有機(jī)溶劑而形成的溶液，它是這四種電解質(zhì)中離子導(dǎo)電性最好的一種。典型的溶劑是硝酸酯類。膠體電解質(zhì)是鹽和溶劑同時(shí)溶于高分子聚合物或與其混合而形成的一種凝膠態(tài)離子導(dǎo)電材料，也屬于聚合物電解質(zhì)范疇。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用聚合物電解質(zhì)是含有聚合物材料并且能發(fā)生離子遷移的電解質(zhì)。它是一種無液體無溶劑的材料，其離子導(dǎo)電能力是由鹽溶解于高分子聚合物中形成的。固體電解質(zhì)是處于固態(tài)的離子導(dǎo)電體。包括晶體電解質(zhì)、玻璃態(tài)電解質(zhì)、氧化物玻璃態(tài)電解質(zhì)、硫化物玻璃態(tài)電解質(zhì)等。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用4.隔膜材料隔膜是鋰離子電池結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一，其性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)壽命以及安全性能等特性。隔膜的主要作用是隔開電池的正、負(fù)極，防止兩極接觸發(fā)生短路，此外還具有能使電解液離子通過的功能。隔膜材料需要滿足一些條件，例如有一定的孔徑和孔隙率以保證低電阻和高離子電導(dǎo)率、耐電解液腐蝕、對(duì)電解液的浸潤(rùn)性好并具有足夠的吸液保濕能力、熱穩(wěn)定性和自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)性能好等。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（二）鋰離子動(dòng)力電池的工作原理充電過程中，正極材料中的Li+從正極材料中脫嵌，進(jìn)入電解液透過隔膜后嵌入負(fù)極材料內(nèi)，等量的補(bǔ)償電荷也會(huì)經(jīng)外部電路從正極遷移至負(fù)極以保持電荷平衡。此時(shí)正極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，被稱為陽極；負(fù)極則得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，被稱為陰極，電流由負(fù)極流向正極。放電過程中，Li+從負(fù)極材料中脫嵌，進(jìn)入電解液透過隔膜后重新嵌入正極材料，補(bǔ)償電荷同樣經(jīng)外部電路從負(fù)極遷移至正極。此時(shí)正極發(fā)生還原反應(yīng)，被稱為陰極；負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，被稱為陽極，電流由正極流向負(fù)極。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用以LiCoO2-C電池工作時(shí)的狀態(tài)為例，說明其反應(yīng)過程：任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用三、鋰離子動(dòng)力電池性能及檢測(cè)（一）鋰離子動(dòng)力電池的性能1.充放電特性鋰離子電池充電時(shí)Li+從正極活性物質(zhì)中脫嵌到電解質(zhì)中，同時(shí)電解質(zhì)中的Li+嵌入負(fù)極活性物質(zhì)中，結(jié)果導(dǎo)致正極電勢(shì)升高，負(fù)極電勢(shì)降低。充電接近完成時(shí)，電池的充電電壓升高加劇。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用鋰離子電池的放電電壓與電池材料有關(guān)，以碳材料為負(fù)極時(shí)，LiCoO2為正極材料的鋰離子電池的放電電壓平臺(tái)在3.6V左右，而以LiFePO4為正極材料的鋰離子電池的放電電壓平臺(tái)在3.4V左右。正極材料中鋰離子的擴(kuò)散能力對(duì)電池的放電性能影響較大，特別是在低溫和高倍率條件下，鋰離子正、負(fù)極中的擴(kuò)散是限制電池充電性能的主要因素。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.安全性鋰離子電池在熱沖擊、過充電、過放電和短路等濫用情況下，其內(nèi)部的活性物及電解液等組分間將發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量與氣體。使得電池內(nèi)部壓力增大，到一定程度可能導(dǎo)致電池著火，甚至爆炸。其主要原因如下。（1）材料熱穩(wěn)定性。（2）制造工藝。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用3.熱特性鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量主要是由4部分組成：反應(yīng)熱Qr、極化熱Qp、焦耳熱QJ和分解熱Qs。Qr表示由于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量，這部分熱量在充電時(shí)為負(fù)值，在放電時(shí)為正值。極化熱Qp是指電池在充放電過程中，負(fù)載電流通過電極并伴隨著電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，電極會(huì)發(fā)生極化，電池的平均電壓會(huì)與開路電壓有所偏差，而導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量。QJ為焦耳熱，這部分熱量是由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生的，在充放電的過程中這部分熱量都為正值，其中電池內(nèi)阻包括電解質(zhì)的離子內(nèi)阻和電子內(nèi)阻，符合歐姆特性。Qs表示在電池的電極中自放電的存在也會(huì)導(dǎo)致電極的分解而產(chǎn)生的熱量。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用4.自放電與存儲(chǔ)性能鋰離子電池的自放電率比鎳鎘、鎳氫電池小，鎳氫電池的月自放電率達(dá)60%。鎳鎘電池的月自放電率為30%，而鋰離子電池月自放電率只有6%～8%。鋰離子電池自放電導(dǎo)致容量損失分為可逆容量損失和不可逆容量損失兩種情況，自放電的程度受正極材料、電池的制作工藝、電解液的性質(zhì)、溫度和時(shí)間等因素影響。鋰離子電池的儲(chǔ)存性能主要同電池的荷電狀態(tài)及儲(chǔ)存環(huán)境溫度有關(guān)，高溫高荷電狀態(tài)SEI模組分部分發(fā)生溶解沉積，引起不可逆容量衰減；經(jīng)高溫高荷電狀態(tài)儲(chǔ)存后電池安全性能下降，低溫荷電狀態(tài)有利于儲(chǔ)存后鋰離子電池過充電時(shí)安全性能的保持。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（二）鋰離子動(dòng)力電池的性能檢測(cè)1.鋰離子電池安全性能檢測(cè)安全性能檢測(cè)主要包括：過充電、過放電、外部短路、強(qiáng)制放電等電測(cè)試；落體沖擊、針刺、振動(dòng)、擠壓、加速等機(jī)械測(cè)試；著火、沙浴、油浴、熱沖擊等熱測(cè)試；降壓、高度、浸泡、耐菌性等環(huán)境測(cè)試。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.鋰離子電池電化學(xué)性能檢測(cè)化學(xué)性能檢測(cè)主要包括容量、內(nèi)阻、電壓、自放電、存儲(chǔ)性能、高低溫性能、循環(huán)性、充放電性能等。（1）容量。（2）內(nèi)阻。（3）平臺(tái)電壓、平臺(tái)容量。（4）倍率性能。（5）循環(huán)壽命。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用3.電池成組測(cè)試與單體電池的檢測(cè)參數(shù)相似，電池成組和模塊化使用中的主要參數(shù)仍然包括電壓、內(nèi)阻、容量、循環(huán)壽命等，不同的是測(cè)試時(shí)需要大電流高電壓的測(cè)試設(shè)備，檢測(cè)內(nèi)容和檢測(cè)目的也有所不同，主要檢測(cè)電池模塊的動(dòng)態(tài)容量、功率密度、電壓一致性、內(nèi)阻一致性、倍率充放電性能、循環(huán)壽命、擱置和存儲(chǔ)性能等。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用四、鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用（一）鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域1.在便攜式電器中的應(yīng)用2.在電動(dòng)工具中的應(yīng)用3.在交通行業(yè)的應(yīng)用4.在軍事裝備及航空航天事業(yè)中的應(yīng)用5.其他領(lǐng)域中的應(yīng)用任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（二）鋰離子電池在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用1.日產(chǎn)Leaf純電動(dòng)汽車日產(chǎn)汽車公司2009年8月發(fā)布量產(chǎn)純電動(dòng)汽車Leaf車型，自2010年開始，已經(jīng)在日本、美國(guó)和歐洲市場(chǎng)銷售。該車采用層疊式緊湊型鋰離子電池供電，電池容量24kW·h，位于車輛底部、座椅下方，輸出功率90kW（以上），能量密度140kW·h/kg，功率密度2.5kW/kg，電池單元數(shù)量48個(gè)，50kW直流快速充電（0～80%）只需不到30min，家庭200V交流電則需8h。該車最高車速120km/h，續(xù)駛里程320km。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.三菱i-MiEV電動(dòng)汽車三菱i-MiEV搭載一臺(tái)47kW的電機(jī)，由一組330V/16kW·h鋰電池提供動(dòng)力，最高車速130km/h，續(xù)駛里程可達(dá)130km以上。這組鋰電池可以利用家用電源進(jìn)行充電，每次充電時(shí)間約為7h，為了縮短過長(zhǎng)的充電時(shí)間，電力公司推出了一個(gè)快充套裝，只需35min就可以充滿電池80%的電量。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用3.雪佛蘭Volt電動(dòng)汽車雪佛蘭Volt被稱為ExtendedRangeElectricVehicle，即增程式電動(dòng)汽車。它通過一個(gè)質(zhì)量為181.4kg的16kW·h的T型鋰離子電池組來儲(chǔ)存電能，該電池組由多個(gè)相連的電池模塊構(gòu)成，總共包含200多個(gè)電池單元。僅使用電力驅(qū)動(dòng)時(shí)，最多可以行駛40mile。在發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電并給蓄電池充電的情況下，Volt可以行駛數(shù)百英里。Volt在家庭中可以用120V或240V的電源為其充電，每次充電的成本也較低。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用4.特斯拉（Tesla）的ModelS電動(dòng)汽車特斯蘭的ModelS于2006年面世，采用53kW·h鋰電池，電機(jī)功率185kW，峰值轉(zhuǎn)矩270N·m，最高車速201km/h，續(xù)駛里程393km，0～60mile/h加速時(shí)間3.7s。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用（三）鋰離子動(dòng)力電池的失效機(jī)理1.正極材料的溶解以尖晶石LiMn2O4為例，Mn的溶解是引起LiMn2O4可逆容量衰減的主要原因。Mn的溶解沉積造成正極活性物質(zhì)減少；溶解的Mn游離到負(fù)極時(shí)會(huì)造成負(fù)極SEI膜的不穩(wěn)定，被破壞的SEI膜再形成時(shí)會(huì)消耗鋰離子，造成鋰離子的減少。Mn的溶解是尖晶石LiMn2O4鋰離子電池容量衰減的重要原因。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用2.正極材料的相變化一般認(rèn)為，鋰離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，引起結(jié)構(gòu)的膨脹與收縮，導(dǎo)致氧八面體偏離球?qū)ΨQ性并成為變形的八面體結(jié)構(gòu)。這種現(xiàn)象叫作Jahn-Teller（或J-T曲線）。在LiMn2O4電池中，J-T效應(yīng)所導(dǎo)致的尖晶石型結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)變，也是容量衰減的主要原因之一。J-T效應(yīng)多發(fā)生在過放電階段，在起始材料中加入過量的鋰、摻雜Ni、Co、Al等陽離子或者S等陰離子可以有效地抑制J-T效應(yīng)。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用3.電解液的分解鋰離子電池中常用的電解液主要包括由各種有機(jī)碳酸酯（如PC、EC、DMC、DEC等）的混合物組成的溶劑，以及由鋰鹽（如LiPF6、LiCIO4、LiAsF6等）組成的電解質(zhì)。在充電條件下，電解液對(duì)含碳電極具有不穩(wěn)定性，故會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，電解液還原消耗了電解質(zhì)及溶劑，對(duì)電池容量及循環(huán)壽命產(chǎn)生不良影響。任務(wù)3鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及應(yīng)用4.過充電造成的容量損失電池在過充電時(shí)，會(huì)造成負(fù)極鋰的沉積、電解液的氧化以及正極氧損失導(dǎo)致高電壓區(qū)的J-T效應(yīng)，這些都會(huì)導(dǎo)致電池容量衰減。5.自放電鋰離子電池的自放電所導(dǎo)致的容量損失大部分是可逆的