锂电池基础知识

锂电池基础知识

锂电池是一种广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域的高能量密度电池。本文将从锂电池的分类、特点、生产流程、工作原理、应用领域和发展趋势等多个方面进行详细介绍。

锂电池基础知识

锂电池的分类

按照正极材料的不同，锂电池可以分为钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元材料等。

锂电池的特点

锂电池具有高能量密度、高电压、自放电率低等优点，广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域。

锂电池的生产流程

锂电池的生产流程包括配料、涂布、辊压、制片、装配、注液、化成、分容检测等步骤。

锂电池的工作原理

锂离子电池的工作原理

锂离子电池的工作原理是通过锂离子在正负极之间的移动来实现电能的储存和释放。具体来说，当电池充电时，锂离子从正极材料中脱出，经过电解液移动到负极材料中嵌入；当电池放电时，锂离子从负极材料中脱出，经过电解液移动到正极材料中嵌入。这个过程伴随着电子的流动，从而产生电流。

发展趋势

• 电动汽车市场增长：随着电动汽车市场的不断扩大，锂电池需求将持续增长
• 电力储能市场增长：随着可再生能源的普及，电力储能市场将不断扩大
• 工业储能市场增长：随着工业自动化和智能制造的发展，工业储能市场将不断扩大
• 技术创新：未来锂电池将不断进行技术创新，提高能量密度、安全性等性能指标

锂电池测试与改进

测试结果分析

对锂电池安全与性能测试的结果进行详细分析，识别测试中存在的问题和不足，分析问题产生的原因，找出根本原因，提出针对性的改进措施，提高锂电池的安全与性能。

锂电池应用领域与发展趋势

电动汽车领域应用现状及前景

• 电动汽车市场占比：锂电池已成为主流电池技术
• 政策支持：各国政府加大对电动汽车产业的扶持力度
• 产业链完善：锂电池生产、研发、回收等环节逐步成熟
• 未来发展趋势：高能量密度、快速充电、安全性等方向持续改进

未来发展趋势预测

• 新能源汽车市场将持续增长，带动锂电池需求增加
• 储能领域将成为锂电池应用的重要方向
• 轻量化、高能量密度将成为锂电池发展的关键指标
• 锂电池回收再利用技术将逐步成熟，降低成本并提高资源利用率

锂电池的基本化学原理

氧化还原反应

物质发生化学反应的种类有多种，其中一种是氧化还原反应，在这种反应中，实际是电子在反应物中的转移过程。通常把提供电子的物质叫还原剂，接受电子的物质叫氧化剂。

电池体系中的活性物质

在电池体系里，一般把这些还原剂或氧化剂统一称作活性物质，活性物质在电池体系中发生的氧化还原反应就是电池反应。还原剂或氧化剂和导电骨架加工在一起，便成了电极，其中，还原剂电极发生电池反应时是失去电子，叫负极，而由氧化剂组成的电极在反应中则得到电子，叫正极。对于可充电的电池，正极又叫阴极，负极又叫阳极。

电极电位

当电极插入到相关的溶液时，便获得了一电势，一般称为电极电位。正极，负极处于一相同溶液体系之下是否有电位差，是能否发生电池反应的必要条件。

电池的工作原理和分类

能量转换

电池是将物质的化学能转变成电能的一种装置。电池工作时，负极（阳极）发生化学反应，给出电子，电子通过外部电子通道传到正极（阴极）并被其消耗，就这样，电池工作时，电子会源源不断的从负极（阳极）跑出来，通过外部电路到达正极（阴极），直到两电极中某一方被消耗完，电子才会停止转移。电子的定向流动便成为电流，最终获得电能。

电池的组成

要使电池能连续工作，必需包含以下部分：电极，电解质，隔离物以及电池外壳。

• 电极：一般由活性物质和导电骨架组成，如前所述，又分为正（阴）极和负（阳）极，是电池的核心部分，是电池产生电能的源泉，通过两极上活性物质和化学变化使化学能转变为电能，导电骨架主要起着传导电子和支撑活性物质的作用，又叫集流体。
• 电解质：的一般作用是完成电池放电时的离子导电过程。电池工作时，负极提供的电子通过电池体系的外部电路到达正极从而提供电能，要实现这个能量转换过程，还必需要有一个内部离子导电过程以完成电流回路。离子的正向移动产生电流，电解质的导电就是通过其内部体系的离子迁移从而实施离子导电。
• 隔离物：常是指置于电池正负极之间的材料，其作用是阻止正、负极活性材料的直接接触，防止电池的内部短路，并能阻挡两极粉状物质的透过。

锂离子电池基础知识

工作原理与性能简介

锂离子电池的工作原理即充放电原理。Li-ion的正极材料是氧化钴锂,负极是碳。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，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Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li—ion就象一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅两端来回奔跑。所以,Li—ion又叫摇椅式电池。通俗来说电池在放电过程中,负极发生氧化反应,向外提供电子;在正极上进行还原反应,从外电路接收电子，电子从负极流到正极，而电流方向正好与电子流动方向相反，故电流经外电路从正极流向负极。电解质是离子导体，离子在电池内部的正负极之间定向移动而导电,阳离子流向正极，阴离子流向负极。整个电池形成了一个由外电路的电子体系和电解质的离子体系构成的完整放电体系，从而产生电能。

化学反应方程式

正极反应:LiCoO2==== Li1-xCoO2+ xLi+ + xe
负极反应:6C + xLi+ + xe—=== Lix C6
电池总反应:LiCoO2 + 6C ==== Li1-xCoO2 + LixC6

电池的连接

根据电池的电压与容量的需求，可以把电池做串联、并联及混连连接。

• 串联:电压升高,容量基本不变；
• 并联：电压基本不变，容量升高;
• 混联：电压与容量都会升高；

化学电池的种类

锂离子电池按电池外形来分类，可分为圆柱形、方形、钮扣形和片状形等。

锂电池的构成与分类

构成

锂电池主要由两大块构成，电芯和保护板PCM（动力电池一般称为电池管理系统BMS），电芯相当于锂电池的心脏，管理系统相当于锂电池的大脑。电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳构成，而保护板主要由保护芯片（或管理芯片）、MOS管、电阻、电容和PCB板等构成。

优点与缺点

锂电池的优点很多，电压平台高，能量密度大（重量轻、体积小），使用寿命长，环保。锂电池的缺点就是，价格相对高，温度范围相对窄，有一定的安全隐患（需加保护系统）。

分类

锂电池可以分成两个大类：一次性不可充电电池和二次充电电池（又称为蓄电池）。不可充电电池如锂二氧化锰电池、锂-亚硫酰胺电池。二次充电电池又可以分为下面根据不同的情况分类。

1. 按外型分：方形锂电池（如普通手机电池）和圆柱形锂电池（如电动工具的18650）；
2. 按外包材料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池；
3. 按正极材料分：钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元锂（LiNixCoyMnzO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）；
4. 按电解液状态分：锂离子电池（LIB）和聚合物电池（PLB）；
5. 按用途分：普通电池和动力电池；
6. 按性能特性分：高容量电池、高倍率电池、高温电池、低温电池等。

常用术语解释

1. 容量(Capacity)：指一定的放电条件下可以从电池锂获得的电量。我们在高中学物理是知道，电量的公式为Q=I*t，单位为库伦，电池的容量单位规定为Ah （安时）或mAh（毫安时）。意思是1AH的电池在充满电的情况下用1A的电流放电可以放1个小时。以前的NOKIA的老手机的电池（像BL-5C）一般是500mAh，现在的智能手机电池8001900mAh，电动自行车一般都是1020Ah，电动汽车一般都是20~200Ah等。
2. 充放电倍率（Charge-Rate/Discharge-Rate）：表示以多大的电流充电、放电，一般以电池的标称容量的倍数为计算，一般称为几C。

锂电池的隔离物

不同材质和结构隔膜的特点

1. PP（聚丙烯）：单层、双层，干法。机械强度高，耐热性好，透过性好，安全关断性能不如PE（闭孔温度＞150℃）。适用于一次电池、二次电池、大功率电池。
2. PE（聚乙烯）：单层、双层，干法、湿法。均匀性好，安全性好（闭孔温度约130℃），耐高温性能不如PP。适用于二次电池。
3. PP/PE/PP：三层，干法。综合了PP、PE膜优点，机械强度好，安全性更高。

制造方法

• 干法：单向拉伸法、吹膜法、双向拉伸法
• 湿法

锂电池的航空运输指南

锂电池的危险性

锂是一种特别容易发生反应的金属，外观呈银白色，非常柔软、可伸展，且易燃。锂电池的危险性取决于其所含的锂。当锂电池遇到水、过度充电、极限温度等情况时，有可能发生短路、着火等危险。

规格和容量

锂电池的规格和容量各不相同，需要根据其额定电压和容量进行分类和运输。

存储和运输要求

锂电池的存储和运输需要遵守相关规定，如禁止在高温或低温环境下存储和运输，禁止与易燃物品混合存放等。

航空运输注意事项

1. 需要了解锂电池的规格和容量，以及航空公司和机场对锂电池的具体要求和限制。
2. 需要准备相关文件和资料，如危险品申报单、锂电池测试报告、包装证明等。
3. 需要选择符合要求的包装箱和固定装置，以确保锂电池在运输过程中的安全。
4. 需要遵守航空公司和机场的相关规定，如禁止在高温或低温环境下存储和运输，禁止与易燃物品混合存放等。
5. 需要了解目的地机场对锂电池的进口要求和限制，以及相关税费和手续。

总之，锂电池是一种危险品，需要谨慎处理和运输。在航空运输过程中，需要遵守相关规定和要求，以确保锂电池的安全。

锂电池的配料基础知识

电极的组成

1. 正极组成：

• 钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池提供锂源。
• 导电剂：提高正极片的导电性，补偿正极活性物质的电子导电性。提高正极片的电解液的吸液量，增加反应界面，减少极化。
• PVDF粘合剂：将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。
• 正极引线：由铝箔或铝带制成。

2. 负极组成：

• 石墨：负极活性物质，构成负极反应的主要物质；主要分为天然石墨和人造石墨两大类。
• 导电剂：提高负极片的导电性，补偿负极活性物质的电子导电性。提高反应深度及利用率。防止枝晶的产生。利用导电材料的吸液能力，提高反应界面，减少极化。（可根据石墨粒度分布选择加或不加）。
• 添加剂：降低不可逆反应，提高粘附力，提高浆料黏度，防止浆料沉淀。
• 水性粘合剂：将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。
• 负极引线：由铜箔或镍带制成。

配料目的

配料过程实际上是将浆料中的各种组成按标准比例混合在一起，调制成浆料，以利于均匀涂布，保证极片的一致性。配料大致包括五个过程，即：原料的预处理、掺和、浸湿、分散和絮凝。

配料原理

（一）、正极配料原理

1. 原料的理化性能。
   （1）钴酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为6-8μm，含水量≤0.2%，通常为碱性，PH值为10-11左右。
   （2）导电剂：非极性物质，葡萄链状物，含水量3-6%，吸油值~300，粒径一般为2-5μm；主要有普通碳黑、超导碳黑、石墨乳等，在大批量应用时一般选择超导碳黑和石墨乳复配；通常为中性。
   （3）PVDF粘合剂：非极性物质，链状物，分子量从300，000到3，000，000不等；吸水后分子量下降，粘性变差。
   （4）NMP：弱极性液体，用来溶解/溶胀PVDF，同时用来稀释浆料。

2. 原料的预处理
   （1）钴酸锂：脱水。