1、電池基礎(chǔ)知識,內(nèi)容安排,電化學(xué)常識 電化學(xué)應(yīng)用 電池的基礎(chǔ)知識 鋰電池基礎(chǔ)知識,分類 歷史 研究內(nèi)容 基本理論 原電池原理,電池,第一部分 電化學(xué)基礎(chǔ)知識,化學(xué)分類,無機(jī)化學(xué) 有機(jī)化學(xué) 物理化學(xué) 分析化學(xué) 高分子化學(xué) 核化學(xué) 生物化學(xué),電化學(xué) 化學(xué)熱力學(xué) 結(jié)構(gòu)化學(xué) 量子化學(xué) 化學(xué)動(dòng)力學(xué) 光化學(xué) 溶液、膠體和表面化學(xué),電池 電解池,電化學(xué)名詞1,電化學(xué)研究電現(xiàn)象與化學(xué)現(xiàn)象之間內(nèi) 在聯(lián)系的學(xué)科 電化學(xué)系統(tǒng)電極電解質(zhì),電化學(xué)名詞2,電極學(xué)電極的平衡性質(zhì)和通電后的極 化性質(zhì)，即電極和電解質(zhì)界面上的電化學(xué)行為 電解質(zhì)學(xué)電解質(zhì)的導(dǎo)電性質(zhì)、離子的 傳輸性質(zhì)、參與反應(yīng)離子的 平衡性質(zhì),電化學(xué)起源,1791年意

2、大利的伽伐尼發(fā)現(xiàn)以金屬片接觸青蛙腿部肌肉時(shí)，有收縮的現(xiàn)象發(fā)生。,伏打電池,上述現(xiàn)象1799年被意大利的伏打捕捉到并加以研究，發(fā)明了世界上第一個(gè)電池-伏打電池，即原電池。,原電池原理及應(yīng)用,原電池的原理,較活潑的金屬發(fā)生氧化反應(yīng)，電子從較活潑的金屬（負(fù)極）流向較不活潑的金屬（正極） 化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置,組成原電池的條件,有兩種活動(dòng)性不同的金屬（或一種是非金屬導(dǎo)體）作電極 電極材料均插入電解質(zhì)溶液中 兩極相連形成閉合電路,正負(fù)極與陰陽極,陰極：發(fā)生還原反應(yīng)的電極，得電子 陽極：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極，失電子 正極：電勢較高的電極 負(fù)極：電勢較低的電極 電池：正極陰極 負(fù)極陽極 電解池：正極陽極 負(fù)

3、極陰極,電流與離子的流向,當(dāng)電池中有電流通過時(shí)，電解質(zhì)中的離子在電場的作用下作定向移動(dòng) 陰離子總是移向陽極 陽離子總是移向陰極 整個(gè)電流在溶液中的傳導(dǎo)是由陰、陽離子的移動(dòng)共同承擔(dān)的,電子流動(dòng),電流,電化學(xué)應(yīng)用,化學(xué)電源 金屬防腐蝕：大部分金屬腐蝕是電化學(xué)腐蝕 機(jī)械工業(yè)：電鍍、電拋光、電泳涂漆 環(huán)境保護(hù)：電滲析除去氰、鉻離子等污染物 電解、電冶煉工業(yè) 生命科學(xué)：如肌肉運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)的信息傳遞都涉 及到電化學(xué)機(jī)理,第二部分 電池的基本知識,電池分類依據(jù),電解質(zhì)種類 電池所用正負(fù)極材料 工作特性和儲存方式,以電解質(zhì)種類分類：,堿性電池電解質(zhì)以KOH溶液為主，如堿性 鋅錳電池（俗稱堿錳電池或堿性 電池）、

4、鎳鎘電池和鎳氫電池等 酸性電池電解質(zhì)以硫酸水溶液為主，如鉛 酸電池 中性電池電解質(zhì)為鹽溶液，如鋅錳電池和 海水電池 有機(jī)電解質(zhì)電池電解質(zhì)為有機(jī)溶液，如鋰 電池、鋰離子電池,以電池所用正負(fù)極材料分類：,鋅系列電池鋅錳電池和鋅銀電池等 鎳系列電池鎳鎘電池和鎳氫電池等 鉛系列電池鉛酸電池等 鋰系列電池鋰離子電池和鋰錳電池等 二氧化錳系列電池鋅錳電池和堿錳電池 空氣（氧氣）系列電池鋅空氣電池,以工作特性和儲存方式分類：,一次電池又稱原電池，即不能再次充電的電池，如鋅錳電池和鋰電池等 二次電池又稱蓄電池，即可充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等 燃料電池正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，活性

5、材料連續(xù)不斷從外部加入的電池 儲備電池電池儲備時(shí)不直接接觸電解質(zhì)，直到電池使用時(shí)，才加入電解液，如鎂氯化銀（海水電池）。,一次電池：,鋅錳電池：Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2(C) 堿性鋅錳電池：Zn|KOH,K2Zn(OH)4|MnO2(C) 鋅銀電池：Zn|KOH|Ag2O 鋰錳電池：Li|LiClO4(PC,DME)|MnO2(C) 鋅空氣電池: Zn(Hg)|NH4Cl,ZnO|O2(C),二次電池,蓄電池（二次電池）：電極反應(yīng)可逆 特點(diǎn)：可循環(huán)使用 例：鉛酸電池 PbH2SO4PbO2 鎘鎳電池 CdKOHNiOOH 鐵鎳電池 FeKOHNiOOH 氫化物鎳電池 MH/KOH

6、NiOOH,四種主要的二次電池,鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池性能對比,技術(shù)參數(shù)鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池 工作電壓（V） 1.2 1.2 3.6 重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140 體積比能量(Wh/l) 150 200 300 充放電壽命(次) 500 500 1000 自放電率（%/月） 25-30 30-35 6-9 有無記憶效應(yīng) 有 有 無 有無污染 有 無 無,電池組成1,1）電極：電池的核心部分，由活性物質(zhì)添加劑和 導(dǎo)電骨架組成 活性物質(zhì)要求： 比容量高； 電化學(xué)活性高； 在電解液中化學(xué)穩(wěn)定性好； 導(dǎo)電骨架要求： 集流性能好，分布均勻，柔軟性好,集電體,活性物質(zhì),電池組

7、成2,2）電解質(zhì)：主要組成之一，傳遞正、負(fù)極之間電荷 穩(wěn)定性強(qiáng)； 比電導(dǎo)高，歐姆壓降?。?化學(xué)穩(wěn)定性高。,電解液,電池組成3,3）隔膜：正、負(fù)電極之間，避免正、負(fù)極活性物質(zhì)直接接觸 在電解液中穩(wěn)定性好； 電子緣絕體，離子導(dǎo)體； 常用PP、尼龍； 強(qiáng)度高，透氣性好，耐氧化能力強(qiáng),耐高、低溫能力強(qiáng),隔膜,電池組成4,4）外殼（case）： 要求：機(jī)械強(qiáng)度、耐振動(dòng)、耐沖擊、能耐高、低溫變化和電解液的腐蝕。,電池原理,例：鎘鎳電池工作原理 化學(xué)能 電能 成流反應(yīng) 2NiOOH + Cd + 2H2O 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 NiOOH + 2H2O + e- Ni(OH)2 + OH-

8、Cd + 2OH- 2e- Cd(OH)2,放,充,放,充,放,充,充電,放電,電池基本概念1,短路：電流不經(jīng)負(fù)載而由電源一端直接回到另一端，導(dǎo)致電路中電流猛烈加大，這就叫短路。 斷路：電路中電流不通叫斷路。 電流強(qiáng)度：單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體某一截面，電荷量的代數(shù)和，常用字母“A”表示。 電壓：水要有水位差才能流動(dòng)，同樣的，要使電荷作有規(guī)則的移動(dòng)，必須在電路兩端有一個(gè)電勢差，這個(gè)電勢差叫電壓。常用字母“V”表示。,電池基本概念2,電流：在電場力的作用下，自由電子或離子所發(fā)生的有規(guī)則地運(yùn)動(dòng)稱為電流。 電阻：電子在物體內(nèi)移動(dòng)所遇到的阻力叫電阻。電阻單位是歐姆，常用字母“”表示。,電池的性能1,1、電動(dòng)

9、勢：兩電極電勢之差（平衡電極電法）,電池的性能2,2、內(nèi)阻：R=R + Rf 電池的內(nèi)阻：是指電池在工作時(shí)，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。 R：電極材料、電解液、隔膜及各部分零件的接觸內(nèi)阻； Rf ：正、負(fù)極活性物質(zhì)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所引起的內(nèi)阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化所引起的電阻之和； Rf與活性物質(zhì)本身、電極結(jié)構(gòu)、制造工藝、電池工作條件等因素相關(guān)。,電池性能3,3、開路電壓、工作電壓1 開路電壓：是指電池在非工作狀態(tài)下，即電路中無電流流過時(shí)，電池正負(fù)極之間的電勢差。 工作電壓：又稱端電壓，是指電池的工作狀態(tài)下，即電路中有電流，流過時(shí)電池正負(fù)極之間的電勢差。 V = V開 IR,電池性能3,

10、3、開路電壓、工作電壓 終點(diǎn)電壓：電池在放電過程中，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的工作電壓為終點(diǎn)電壓。 如再繼續(xù)使電池放電則稱之為過放。過放對電池性能會產(chǎn)生破壞性影響，是導(dǎo)致電池零電壓及綜合性能下降的主要原因，在電池的檢測和使用過程中，應(yīng)盡量避免過放。 中點(diǎn)電壓：是指電池以一定的倍率放電至終點(diǎn)電壓的時(shí)間之中點(diǎn)的電池電壓。,開路電壓,標(biāo)稱電壓,電池電壓,放電終止電壓,電池性能4,4、容量、比容量： 理論容量(Co)（活性物質(zhì)100%利用）： Co=26.8n=1/kmo（Ah） mo為活性物質(zhì)的質(zhì)量；M為活性物質(zhì)分子量；n為成流反應(yīng)得失電子數(shù)；26.8為常數(shù)1克當(dāng)量活性物質(zhì)反應(yīng)時(shí)所放出電量； 實(shí)際容

11、量（C）：C=0TIdT 恒流：IT 恒阻：0TVdT 額定容量（C額）：設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定或保證電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。,容量,電池能量,放電深度,電池性能5,5、能量,比能量： 理論能量（a、活性物質(zhì)100%利用；b、電極反應(yīng)處于平衡狀態(tài)）： Wo = CoE 實(shí)際能量： W = 0TIVdT 比能量： 體積比能量： W體 = （Wh/L） 重量比能量： W重 = （Wh/l）,電池性能6,6、貯存性能和循環(huán)壽命： 貯存性能：（自放電） 電池的貯存性能是衡量電池綜合性能穩(wěn)定程度的一個(gè)重要參數(shù)，電池經(jīng)過一定時(shí)間的貯存后，允許電池的容量及內(nèi)阻有一定程度的變化。電池自放

12、電與活性物質(zhì)本身、電極結(jié)構(gòu)、制造工藝、電池工作條件等因素相關(guān)。 循環(huán)壽命： 充、放電循環(huán)的數(shù)目。,電池性能7,7、充放電效率和充放電倍率 充電效率：指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲存的化學(xué)能程序的量度。 放電效率：指電池在一定的放電條件下放電至終點(diǎn)電壓所放出的實(shí)際電量與電池的額定容量之比。 充放電倍率：是指電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常的字母是用C表示。 時(shí)率：又稱小時(shí)率：是指電池以一定的電流放完其額定容量所需要的小時(shí)數(shù)。,電池性能8,8、內(nèi)壓 內(nèi)壓：指電池的內(nèi)部氣壓，是密封電池在充放電過程中，產(chǎn)生的氣體所致，主要受電池材

13、料制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素影響。,第三部分 鋰離子電池基本知識,鋰離子電池結(jié)構(gòu),鋰離子聚合物電池,方形鋰離子電池,三種鋰電池結(jié)構(gòu)比較,性能比較,注：優(yōu)、良、差的比較是相對該三種電池而言，不涉及其它種類電池,鋰離子電池的特點(diǎn),鋰離子蓄電池的一般特性：1、體積及質(zhì)量的能量密度高；其能量密度大于300Wh/L，比能量達(dá)110120Wh/kg， 分別是Ni/Cd、Ni/MeH電池的25和15倍 2、壽命長（大于1200次充、放電）， 3、單電池的輸出電壓高，為4.2 V； 3、自放電率小，可實(shí)現(xiàn)快速充放電，也可做成大容量的電池組。 4、在60左右的高溫下也可以使用； 5、無記憶效應(yīng) 6、不含有毒物質(zhì)等

14、。,鋰離子電池的性能,鋰離子電池的市場1,鋰離子電池的市場2,BYD的電池的市場,Li-ion,Ni-Cd,Ni-MH,2002 SANYO SONY BYD PANASONIC SAMSUNG GS TOSHIBA,2002 SANYO PANASONIC BYD GPI YUASA SAFT,2002 BYD SANYO PANASONIC SAFT GPI,2001 SANYO SONY PANASONIC BYD GS TOSHIBA SAMSUNG,2001 SANYO PANASONIC BYD MAXELL GPI YUASA SAFT,2001 SANYO BYD PANASO

15、NIC SAFT GPI,全球鋰離子電池生產(chǎn)廠商及客戶：,原理1：,鋰離子二次電池的正負(fù)極都是插入化合物，以LiyMnYm表示負(fù)極材料，LizAvBw表示正極材料，則反應(yīng)式可表示為： 負(fù)極：LiyMnYm+xLi+xe-=Lix+yMnYm 正極：LizAvBw=Liz-xAvBw+xLi+xe- 總反應(yīng)： LiyMnYm+LizAvBw=Lix+yMnYm+Liz-xAvBw,原理2,鋰離子二次電池反應(yīng)的實(shí)質(zhì)為一個(gè)Li+濃差電池：充電時(shí)，Li+從正極化合物中脫出并嵌入負(fù)極晶格，正極處于貧鋰態(tài)；放電時(shí)，Li+從負(fù)極脫出并插入正極，正極為富鋰態(tài)。為保持電荷的平衡，充、放電過程中應(yīng)有相同數(shù)量的電子

16、經(jīng)外電路傳遞，與Li+一起在正負(fù)極間遷移、使正負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，保持一定的電位。工作電位與構(gòu)成電極的插入化合物的化學(xué)性質(zhì)、Li+的濃度有關(guān)。這種充、放電過程似一把搖椅，故鋰離子二次電池又稱搖椅電池（Rocking Chair Batteries,簡稱為RCB）。,原理3,鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)原理及特性： 充電時(shí)：Li+從正極逸出，嵌入負(fù)極 放電時(shí)Li+則從負(fù)極脫出，嵌入正極。 以LiCoO2為正極材料，石墨為負(fù)極材料的鋰離子電池，充放電反應(yīng)式為：,工作原理圖,充 電 放 電,第四部分 鋰離子電池主要原材料,正極材料,鋰離子電池常用的正極材料： 1、鋰鈷氧化物L(fēng)iCoO2 2、鋰鎳氧化物L(fēng)

17、iNiO2 3、鋰錳氧化物L(fēng)iMn2O4 4 、其它正極材料：納米正極材料 ，共混電極， 釩氧化物 ，其他層狀化合物 我們采用是： LiCoO2,負(fù)極材料,鋰離子電池常有的負(fù)極材料： 1、石墨和改性石墨 2、高度石墨化碳 3、不含氫無序碳 4、含氫無序碳 我們生產(chǎn)中采用的是：石墨和改性石墨,電解液,鋰離子電池常用的電解液為： 目前鋰離子二次電池主要使用的鋰鹽有：LiClO4、LiAsF 6、LiPF6等，一般將它們?nèi)芙庥诜琴|(zhì)子性的有機(jī)溶劑中，如PC（碳酸丙烯酯）、 EC（碳酸乙烯酯)、 DMC (碳酸二甲酯)、THF (四氫呋喃)、 DME（乙二醇二甲醚）等，為了改善性能常采用混合有機(jī)溶劑。

18、我們生產(chǎn)采用的是： LiPF 6溶于DMC中,隔膜紙,鋰離子電池常用的隔膜材料為： 1、PP（聚丙烯微孔膜） 2、PE（聚乙烯微孔膜） 3、PP/PE/PP（ 聚丙烯聚乙烯微孔膜） 我們生產(chǎn)采用的是：PP和PE紙,第五部分 鋰離子電池生產(chǎn)流程,電池生產(chǎn)流程,1、配料 將活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、溶劑按照一定的比例均勻的混合在一起，配制成溶漿料的過程。 2、拉漿 通過設(shè)備將配置好的漿料均勻的粘附在集流體上的過程。 3、制片 將拉漿制成的大片采用不同的設(shè)備制成滿足工藝要求的卷繞的極片的過程。,電池生產(chǎn)流程,4、卷繞 將極片、隔膜紙按照一定的層次，通過設(shè)備卷繞在一起并放入電池外殼內(nèi)的過程 5、焊接

19、通過設(shè)備將電池的蓋板和殼體焊接在一起的過程， 6 、 注液 將電解液注入電池殼體的過程,電池生產(chǎn)流程,7、化成 電池制造后，通過一定的充放電方式將內(nèi)部正負(fù)極活性物質(zhì)激活，改善電池的充放電性能及自放電、貯存等綜合性能的過程稱為化成。 注：電池經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)其真實(shí)性能。 8、封口 通過一定的方法將注液孔密封起來的過程。 9、分容： 電池在制造過程中，因工藝原因使得電池的實(shí)際容量不可能完全一致，通過一定的充放電制度檢測，并將電池按容量分容的過程稱為分容。,第六部分 鋰離子電池的性能,容量,對鋰離子電池容量影響的因素有： 正極活性物質(zhì)的含量（負(fù)極活性物質(zhì)的含量）； 電解液的組成與配比和活性物質(zhì)的匹

20、配性； SEI膜的形成情況； H2O的含量；,循環(huán)壽命,電池壽命是評價(jià)電池優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，一般以電池容量降低到某一特定值的充、放電循環(huán)次數(shù)來度量。影響因素有： 1、電極材料；可逆性好，充、放電循環(huán)中結(jié)構(gòu)變化小的電極材料可使電池的壽命長 2、電解質(zhì)種類及配比、鋰鹽的選擇和溶劑的配比可影響SEI膜的質(zhì)量， 凡可提高SEI膜的質(zhì)量者則又利于延長電池壽命；若在初次充電中電壓未達(dá)到Li+ 的嵌入電壓之前SEI膜就已形成，則電極的穩(wěn)定性就提高；,循環(huán)壽命,3、充放電速率；加入添加劑、 低速率放電利于延長電池壽命； 4、放電深度；放電太深可使負(fù)極達(dá)到鋰的析出電位，發(fā)生鋰沉積， 這時(shí)正極中的Li+向電解液中逸出，形成死鋰。 5、溫度；在低溫下，SEI膜形成慢，以溶劑還原為主，鋰鹽的還原速度變慢，溶劑還原產(chǎn)物的沉積更為有序致密，電極鈍化更有效，利于延長電池的壽命。 6、H2O的含量。,自放電,影響自放電的因素： 1、SEI膜的特性。 2、電池的密封狀況。 3、隔膜紙的質(zhì)量。 4、H2O的含量。 5、凡可促進(jìn)SEI膜的形成和穩(wěn)定的因素都利