新闻中心技术培训教材目录前言--------------------------------------------------------------------------------3第1章电池测试的基本知识---------------------------------------------------4第2章电池的工序-------------------------------------------------------------16第3章包装基本知识-----------------------------------------------------------26第4章电池的性能------------------------------------------------------------32第5章电池的保护------------------------------------------------------------70第6章文件制作与管理------------------------------------------------------78第7章FIS使用----------------------------------------------------------------88第8章专业术语-----------------------------------------------------------127前言随着公司的快速发展新入职的职员不断增加有大部分职员未从事过电池行业的工作为让新入职职员对公司产品电池的制造工艺及其基本知识有初步的了解在公司高层管理人员的推动下组织编制了《技术培训教材》一此份教材突出ATL特色本着增加知识和技能拓宽知识面提高素质的原则推动新职员的培训是人事行政部指定的培训教材之一在本教材编制过程中得到PROJPECETEQAITDC等部门的协助为编辑此书提供了许多资料和建议对上述部门和所有做出贡献的同志在此一并示衷心地感谢由于编辑人员学识有限本教材一定有不尽人意之处请有关专家和读者不吝赐教以便不断提高教材的技术水平和实用性编者2003年11月25日第一章电池测试的基本知识内容提要1电池的分类和基本术语2锂离子电池充放电工作原理及化成测试3什么是聚合物锂离子电池4聚合物锂离子电池有那些优缺点5如何评估聚合物锂离子电池电芯的优劣电性能的测试环境适应性测试安全性能测试存储性能测试11电池的分类12基本术语解释CC恒流充电ConstantCurrent恒定电流的充电过程CV恒压充电ConstantVoltage恒定电压的充电过程Capacity容量电流与时间的积分DOD放电深度DepthofDischargeCutOffVoltage放电截止电压EnergydensityInVolumetric体积能量密度InGravimetric重量能量密度12基本术语解释C-rate02C05C10C20CDischargecharacteristicsACImpedance1KHz时的交流阻抗HTLTperformance高低温性能CyclingFading循环Self-discharge自放电Vibration振动Bump碰撞Shock机械冲击Overcharge过充电HeatingTest热冲击NailTest穿钉测试ShortCircuit短路ThermalShockTemperatureShock冷热冲击21锂离子电池充电工作原理示意图22锂离子电池放电工作原理示意图锂离子电池化成测试所有二次电池都需要经过化成过程化成的目的在于充分的活化电极的活性物质并使得活性物质结构趋于稳定化成过程一般需要经过几个循环的充放电测试31什么是聚合物锂离子电池311聚合物锂离子电池定义一般电池的主要构造包括正极负极与电解质三项要素按目前定义所谓聚合物锂离子电池是在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为其主要基材的电池系统聚合物锂离子电池采用软包装材料铝泊包装312软包装锂离子电池种类目前世界上已量产的软包装电池按结构区分主要可分为两大类卷绕式使用与液态锂离子电池生产一样的卷绕工艺将正极负极与电解质膜片卷绕起来用包装铝泊包装ALB液态系统软包装叠片式使用热压工艺将分切成一定形状与尺寸的正极负极与电解质膜片热压在一起用包装铝泊包装聚合物电池32叠片式聚合物电芯结构剖面示意图4聚合物锂离子电池有那些优缺点41聚合物锂离子电池的优点①聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化最薄05毫米任意面积化和任意形状化大大提高了电池造型设计的灵活性②聚合物锂离子工艺中没有多余的电解液因此它更稳定具有良好的环保特性无泄漏无重金属无污染③具有较高的能量密度170～200WhKg④可制造大容量单体电池以免除并联产生的影响国内液态电芯无人可以规模生产做到2000mAh单体ATL聚合物批量生产已经可以到6000mAh单体⑤优异的安全特性远优于传统的液态锂离子电池不存在爆炸的危险42聚合物锂离子电池的缺点由于聚合物锂离子电池采用软包装工艺对后工序的加工要求及电芯的稳定性提出了更高的要求容易由于后工序主要是PCM焊接塑壳封装的不良而损坏电芯导致电芯涨气5如何认证评估聚合物锂离子电池的优劣随着聚合物锂离子电池越来越广泛被各种移动设备使用如何界定聚合物锂离子电池的优劣日益重要由于电池是一个平衡系统不同的设备对电池的性能会有不同的需求在电池设计时须根据不同的需要调整配方以满足一些特殊要求总体而言一般从下列四个方面来判别聚合物锂离子电池的优劣目前相关企业与国家也根据实际情况从此四个方面制定了相应的检测与标准·电性能·环境适应能力·安全性能·存储性能目前较广泛使用的标准有《GBT18287-2000蜂窝电话用锂离子电池总》《UL1642》相关著名OEM企业的内部测试标准如NOKIAMOTOROLASony_Ericsson51电性能的测试__充放电性能充电在环境温度20℃±5℃的条件下以02C5A充电当电池端电压达到充电制电压时42V改为恒压充电直到充电电流小于或等于001C5A停止充电放电在20℃±5℃的条件下以02C5A放电到终止电压30V[注]不同厂家可能有不同的充电截止电流与模式部分厂家还可能测试GSM模式的放电容量52电性能的测试
__容量额定容量生产厂标明的电池容量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容量用C5表示单位为Ah安培小时或mAh毫安小时容量比率Rate电池在环境温度为20℃±5℃条件下用不同倍率电流放电至终止电压时所应提供的不同容量的比值为容量比率02C为10053电性能的测试__电压内阻标称电压NominalVoltage用以表示电池电压的近似值终止电压Cut-OffVoltage规定充放电终止时电池的负载电压内阻Impedance电芯在AC1kHz下的阻抗电池内阻主要由电芯内阻与保护板电阻组成其中电芯内阻由下列三部分组成1内部材料的欧姆电阻2离子扩散电阻3界面电阻正常使用时要求电阻越小越好同时内阻与电池的性能息息相关故可根据内阻的变化来评估电池性能有否发生变化54电性能的测试__循环寿命国标定义在环境温度20℃±5℃的条件下以1C5A充电当电池端电压达到充电限制电压时改为恒压充电直到充电电流小于或等于20mA停止充电搁置05h∽1h然后以1C5A电流放电至终止电压放电结束后搁置05h∽1h再进行下一个充放电循环直至连续两次放电时间小于36min60则认为寿命终止要求循环寿命达到300次以上[注]不同厂商会根据具体情况定义不同的测试要求如模拟具体的充电器与手机的用电状态在循环测试过程中采用07C充电05C或02C放电并将相应的要求提高如400次循环容量剩80以上55环境适应能力_高温性能低温性能高温性能电池充电结束后将电池放入55℃±2℃的高温箱中恒温2h然后以1C5A电流放电至终止电压该试验结束后将电池取出在环境温度20℃±5℃的条件下搁置2h然后目测电池外观电池放电时间应不低于51min85电池外观应无变形无爆裂低温性能电池充电结束后将电池放入-10℃±2℃的低温箱中恒温16h∽24h后以02C5A电流放电至终止电压该试验结束后将电池取出在环境温度20℃±5℃的条件下搁置2h然后目测电池外观电池放电时间应不低于35h70电池外观应无变形无爆裂[注]电池的高低温性能跟电芯的材料配方及结构有很大的关系可通过对电芯内部的传导率的调整来满足一些特殊环境温度使用的要求56环境适应能力_高温性能低温性能不同配方的电芯在不同温度下放电的情况比较02C25℃10057环境适应性_振动电池充电结束后将电池直接安装或通过夹具安装在振动台的台面上按下面的振动频率和对应的振幅调整好试验设备XYZ三个方向和每个方向上从10Hz∽55Hz循环扫频振动30min扫频速率为1octmin振动频率10Hz∽30Hz位移幅值单振幅038min振动频率30Hz∽55Hz位移幅值单振幅019min振动试验后电池外观应无明显损伤漏液冒烟或爆炸电池电压应不低于36V58环境适应性_恒定湿热性能电池充电结束后将电池放入40℃±2℃相对湿度为90﹪∽95﹪的恒温恒湿箱中搁置48h后将电池取出在环境温度20℃±5℃的条件下搁置2h目测电池外观再以电流放电至终止电压恒定湿热性能试验后电池外观应无明显变形锈蚀冒烟或爆炸放电时间应不低于36min59环境适应性_碰撞电池充电结束后将电池平均按XYZ三个互相垂直轴向直接或通过夹具坚固在台面上按下述要求调好加速度脉冲持续时间进行碰撞试验脉冲峰值加速度100ms2每分钟碰撞次数40∽80脉冲持续时间16ms碰撞次数1000±10碰撞试验后电池外观应无明显损伤漏液冒烟或爆炸电池电压应不低于36V510环境适应性_自由跌落电池充电结束后将电池样品由高度最低点高度为1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的18mm∽20mm厚的硬木板上从XYZ正负方向六个方向每个方向自由跌落1次自由跌落结束后将电池以1C5A电流放电至终止电压自由跌落试验后电池应不漏液不冒烟不爆炸能插入设备锁扣可靠放电时间应不低于51min针对包装后的成品电池511安全保护性能_过充电保护电池充电结束后用恒流恒压源持续给电池加载8h恒流恒压源电压设定为2倍标称电压电流设定为2C5A的外接电流电池应不爆炸不起火不冒烟或漏液针对带保护板的电池安全保护性能_过放电保护电池在环境温度20℃±5℃条件下以02C5A放电至终止电压后外接30×nΩ负载放电24h电池应不爆炸不起火不冒烟或漏针对带保护板的电池512安全保护性能__短路保护电池充电之后将正负极用01Ω电阻器短路1h电池应不爆炸不起火不冒烟或漏液将正负极断开电池以1C5A电流瞬时充电5s后用电压表测量电池电压瞬时充电后电池电压应不小于n×36V针对带保护板的电池安全保护性能__电芯针对电芯的安全性能目前较多采用美国的UL1642安全标准进行测试与论证其主要包括ShortCircuitHeatingAbnormalChangingforceDischargeCrushImpactShockVibrationHumidityDropTemperatureCyclingLowPressureAltitudesimulation等12项常规测试ATL目前绝大部分电芯通过了美国UL实验室的严格测试并取得了证书到目前为止共有37款电芯取得了证书容量涵盖100∽6000mAh的各种不同尺寸的电芯513存储性能测试__荷电保持能力电池充电结束后在环境温度为10℃±2℃的条件下将电池开路搁置28d再以02C5A电流放电至终止电压放电时间应不低于425h85存储性能测试__高温高湿存储能力电池在充满电后置于65℃95RH的环境中48小时取出后在常温下静置2小时再以02C5A电流放电至终止电压对比前后的容量内阻及外观电芯厚度增加应小于10内阻增加应小于10放电时间应不低于45h电芯应不爆炸不起火不冒烟漏液或气涨存储性能测试__高温存储能力电池在充满电后置于85℃的环境中4小时取出后在常温下静置2小时再以02C5A电流放电至终止电压对比前后的容量内阻及外观电芯厚度增加应小于10内阻增加应小于10放电时间应不低于45h电芯应不爆炸不起火不冒烟漏液或气涨通用的认证测试标准GB18287-2000国标YDT9981-1999信息产业部行业标准UL1642安全认证第二章电池的工序MixingprocessMaterialsdescriptionHowtomixwellMixingprocessequipmentSlurryqualitycontrolMaterialsdescription46finepowdersplus23sol
lt1Sealingconditionverify2Largerquantitybuilding-Qty120pcs-Topsealing1pcsshort-Resultwillbefinishedby525第四章电池的性能目录第一节电化学系统与化学电源11电化学反应系统12各类化学电源简介13电池的性能参数第二节聚合物锂离子电池及材料21聚合物锂离子电池简介22正极材料的结构和性能23负极材料的结构和性能24电解液25锂离子电池用粘接剂26聚合物锂离子电池用增塑剂27隔离膜28碳负极上的SEI膜第三节ATL聚合物锂离子电池的制造工序第四节聚合物锂离子电池实例---ATL413462D之性能41活性物质的容量密度42容量平衡43ATL电芯413462D的构成与的性能第五节ATL聚合物锂离子电池性能检测51充放电制式52性能测试53贮存测试54机械性能试验55安全性测试第一节电化学系统与化学电源11电化学反应系统电化学反应包含电极与反应物质之间的电子交换过程虽然在普通化学反应中也有的有电子转移但在电极成为电子交换的对象这一点上电化学反应与普通化学反应不同为了进行电化学反应还需要一些装置本节举例介绍电化学反应的特征电化学体系的构成以及电化学反应的装置氢气和氧气混合点火将发生爆炸性反应这是因为在生成水的同时放出大量的热的缘故其反应式如下2H2O22H2O放热2372JH2O--------------11如果稍微仔细分析反应过程可分成如下两步2H24H4e---------------12O24H4e-2H2O-------------13氢放出电子后变成质子即氢被氧化另一方面氧接受电子与质子反应生成水即氧被还原氧化反应与还原反应同时急剧地进行若使上述的氢的反应和氧的反应各自在控制下进行那么以电子为中介就能使反应式12和式13中的反应各自进行为使电子成为中介应当使用金属之类的导电物质也就是使反应式12中的氢在氧化反应时放出的电子进入金属再让电子参与反应式13中的还原反应如图11所示用导线连接两个铂网放入盛满硫酸溶液05molLH2SO4的玻璃容器中两个铂网间加上电子绝缘的隔离膜以防止氢与氧的直接接触分别向铂网外的气罩中通入氢气和氧气于是在左侧的气罩中氢被氧化反应式12所示反应产生的电子进入左侧的铂网再通过外回路到达右侧气罩中的铂网硫酸溶液中含有H溶液得以进行反应式13所示反应氧被还原同时左侧的气罩中氢被氧化生成H通过扩散不断流向右侧气罩结果反应式11所示总反应得以完成如果使氢气和氧气混合使其反应会产生大量的热然而如图11所示让电子通过外回路移动氧化反应与还原反应分别在各自的场所进行时已经看不到大量的热放出取而代之的是在外回路中装上灯泡灯泡会被点亮接上电阻丝电阻丝会放出热量外回路中的电子流动便是可以利用的电能即在反应式11的反应中放出的化学能转换成电能这样的反应称为电化学氧化和电化学还原图11中的反应就是燃料电池的反应其中铂起氧化反应与还原反应的电催化剂的作用图12所示为此反应中电子及离子的传递情况上述反应中进行电化学氧化和电化学还原反应的场所称为电极其中发生氧化反应的电极称为阳极发生还原反应的电极称为阴极同时又依电势的高低将电极分为正负极电势高的为正极电势低的为负极从而在上述电池装置中正极为阴极负极为阳极在电化学中上述的氢气被称为负极活性物质或阳极活性物质氧气被称为正极活性物质或阴极活性物质从上我们可总结出一化学原电池所需具有的条件·正极或阴极-----含有正极活性物质或阴极活性物质反应需催化的要加催化剂同时如电子导电性不好非金属电极还需要加上金属的电子集流体·负极或阳极-----含有负极活性物质或阳极活性物质反应需催化的要加催化剂同时如电子导电性不好非金属电极还需要加上金属的电子集流体·隔离膜-----隔离正负电极需电子绝缘离子可通过且不会参加电极反应·电解液-----有电化学反应所需的正离子或负离子·外电子导体回路-----导通电子12各类化学电源简介下面列出的是现常见的各类二次电池的特性之比较表11各类二次电池的特性之比较 镍镉电池NiCd 镍氢电池NiMH 铅酸电池Leadacid 碱性电池ReusableAlkaline 锂离子电池Li-ion 聚合物锂离子电池Lipolymer 能量密度Whkg 45-80 60-120 30-50 80初始 110-160 160 循环寿命次至80初始容量 1500 300500 200300 50至50 500 500 快速充电时间h 1 2-4 8-16 2-3 2-4 2-4 耐过充能力 中等 低 高 中等 低 低 自放电月室温 20 30 5 03 10 10 单体电压V 125 125 3 15 36 36 负载电流-----峰值 20C 5C 5C 05C 2C 2C 负载电流---最佳值 1C 05C或更低 02C 02C或更低 1C或更低 1C或更低 工作温度℃放电时 -40-60 -20-60 -20-60 0-85 -20-60 -20-60 维护要求 30-60天 60-90天 3-6月 不需 不需 不需 典型价格相对值 50 60 25 5 100 100 环境影响 含有毒金属 轻微毒性 环境污染 环境友好 环境友好 环境友好 记忆效应 有 轻微 无 无 无 无 电解液 液态 液态 液态 液态 液态 胶态无泄漏问题 耐滥用性 高 高 低 中等 低 中等 运输问题 无限制 无限制 受限制 无限制 受限制 受限制 商业化时间 1950 1990 1970 1992 1991 1999其中聚合物锂离子电池还具有一其它电池没有的特性即形状尺寸自由可做成任意形状现在还有一种新式电池---燃料电池上一节我们作一例子介绍了其原理此种电池能量密度极高可为其它类电池的几十倍而且不需数个小时的充电仅需补充一下燃料即可目前由于某些技术问题还未商品化但其前景是非常光明的13电池的性能参数·电池电动势E电池的电动势E是在通过电池的电流趋于零时两极间的电势差它等于构成电池的各相界面上所产生电势差的代数和而两极各自的电势可通过Nernst方程来计算·电池阻抗Imp和电池内阻R电池阻抗Imp有欧姆电阻双电层电容电极溶液界面和法拉第阻抗与电极反应时电极溶液界面电荷传递相对应的阻抗由于有电容电池阻抗必然与电流或电压频率有关常用的电池阻抗Imp是在频率为1kHz时的阻抗我们通常说的电池内阻R是指其欧姆电阻欧姆电阻
由电极材料电解液隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成为比较相同系列不同型号的化学电源的内阻引入了比内阻即单位容量下电池的内阻·开路电压OCV和工作电压UL开路电压是指外电路没有电流流过时电极之间的电位差OCV由于极化等的影响一般开路电压小于电池电动势工作电压UL又称放电电压或负荷电压是指有电流通过外电路时电池两极间的电位差工作电压总是低于开路电压因为电流流过电池内部时必须克服极化电阻和欧姆内阻所造成的阻力开路电压OCVE-η-η---------------14工作电压UL＝OCV-IR--------------15式中η-----正极极化过电位绝对值η------负极极化过电位绝对值I-----工作电流电池的工作电压与放电制度有关即放电时间放电电流环境温度终止电压等都影响电池的工作电压·充电方法充电方法分恒流充电和恒压充电两种通常会用到的方法是先恒流充电至某一上限电压再恒压充电直至某一下限电流·放电方法放电方法分恒流放电和恒阻放电两种此外还有连续放电与间歇放电连续放电是指在规定放电条件下连续放电至终止电压间歇放电是指电池在规定的放电条件下放电间断进行直到所规定的终止电压为止·终止电压电池放电时电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压一般在低温或大电流放电时终止电压低些因为这种情况下电极极化大活性物质不能得到充分利用电池电压下降较快小电流放电时终止电压可高些因小电流放电电极极化小活性物质能得到充分利用·放电电流在谈到电池容量或能量时必须指出放电电流大小或放电条件通常用放电率表示放电率指放电时的速率常用时率和倍率表示时率是指以放电时间h表示的放电速率即以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数例如电池的额定容量为30Ah以2A电流放电则时率为30Ah／2A＝15称电池以15小时率放电倍率指电池在规定时间内放出其额定容量所辅出的电流值数值上等于额定容量的倍数例如2倍率的放电表示放电电流数值为额定容量的2倍若电池容量为3Ah那么放电电流应为23＝6A也就是2倍率放电换算成小时率则是3Ah6A12小时率电池放电电流I电池容量C放电时间t的关系为ICt--------------16倍率习惯用C表示2C放电就是2倍率的放电倍率放电是我们的习惯说法如02C放电-----放电时间t1025小时放电电流I电池容量02A05C放电-----放电时间t1052小时放电电流I电池容量05A1C放电-----放电时间t111小时放电电流I电池容量1A2C放电-----放电时间t1205小时放电电流I电池容量2A02C05C1C2C充电也是类似的意思·电池的容量与比容量Capacity电池容量是指在一定的放电条件下可以从电池获得的电量分理论容量实际容量和额定容量活性物质的理论容量C0为C0268nmMmq0--------------17式中C0理论容量Ahm----活性物质完全反应的质量gM--活性物质的摩尔质量n--成流反应得失电子数q0-----活性物质电化当量实际容量Ca---实际容量是指在一定的放电条件下电池实际放出的电量恒电流放电时为CaIt--------------18额定容量Cr---在设计和制造电池时规定电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的电量实际容量总是低于理论容量所以活性物质的利用率为ηCaC0100--------------19为了对不同的电池进行比较引入比容量概念比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量称质量比容量Cm或体积比容量CvCmCamAhg--------------110Cv＝CaVAhL--------------111式中m电池质量gV电池体积L电池容量是指其中正极或负极的容量电池工作时通过正极和负极的电量总是相等因此实际工作中常用正极容量控制整个电池的容量而负极容量过剩·电池的能量和比能量Energy电池在一定条件下对外作功所能输出的电能叫做电池的能量单位一般用Wh表示理论能量---电池的放电过程处于平衡状态放电电压保持电动势E数值且活性物质利用率为100％在此条件下电池的辅出能量为理论能量W0即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非膨胀功W0＝C0E实际能量---电池放电时实际输出的能量称为实际能量WCaUav--------------112式中W--实际能量Uav-----电池平均工作电压比能量---单位质量或单位体积的电池所给出的能量称质量比能量或体积比能量也称能量密度比能量也分理论比能量W0和实际比能量Wa理论质量比能量根据正负两极活性物质的理论质量比容量和电池的电动势计算W0＝Eqq-Whg--------------113式中qq-----正负极活性物质的电化当量gAh实际比能量是电池实际输出的能量与电池质量或体积之比即WaCaUavm--------------114或WaCaUavV--------------115式中m-----电池质量V-----电池体积·电池的功率和比功率Power电池的功率是指在一定放电制度下单位时间内电池输出的能量W或kW比功率是指单位质量或单位体积电池输出的功率Wkg或WL比功率的大小表示电池承受工作电流的大小电池理论功率P0为P0W0tC0EtItEtIE--------------116实际功率Pa为Pa＝IUav--------------117·贮存性能和自放电Storageandself-discharge电池在开路时在一定条件下温度湿度等贮存时容量下降容量下降的原因主要是由腐蚀和自放电引起的自放电速率可用单位时间内容量降低的百分数来表示·循环寿命Cyclelife二次电池经历一次充放电称一个周期在一定的放电制度下电池容量降至规定值之前电池所经受的循环次数称循环寿命循环寿命与放电倍率大小有关通常我们用1C充放来测试循环寿命电池容量降至初始的80时为我们标定的寿命·1C容量1Ccapacity电池做完所测的1C充放时的放电容量·C0D0化成时充满电时的充电电量C0与再放电至截止电压的放电电量D0之比·CD容量某一充放电循环时充电电量C与循环次数的关系和放电电量D与循环次数的关系·CD某一充放电循环时充电电量C与放电电量D之比·C比率CRate以不同倍率放电之间的放电容量比如分别以02C05C1C2C放电以02C放电容量为1将05C1C2C放电容量除以02C的放电容量便得到05C1C2C的C比率百分数●xV平台xVPlateau以不同倍率放电时放电至xV时的
放电容量与总的放电容量之比百分数称为此倍率放电xV平台锂离子电池常用的是1C放电34V平台和1C放电36V平台第二节聚合物锂离子电池及材料21聚合物锂离子电池简介锂离子电池目前有液态锂离子电池LIB和聚合物锂离子电池PLIB两类其中液态锂离子电池是指Li嵌入化合物为正负极的二次电池正极采用锂化合物LiCoO2LiNiO2或LiMn2O4负极采用锂碳层间化合物LixC6当然如直接用Li金属作电极能量密度最高但在充放电过程中被还原出的Li会形成枝晶刺穿隔离膜而出现短路所以Li金属只适于用在一次电池上电解质为溶解有锂盐LiPF6LiAsF6等的有机溶液典型的电池体系为-CLiPF6ECDECLiCoO2正极反应LiCoO2Li1-xCoO2xLixe------------2．1负极反应6CxLixe-LixC6-----------2．2电池总反应LiCoO26CLi1-xCoO2LixC6-----------2．3锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成充电时Li从正极脱嵌经过电解质嵌入负极负极处于富锂态正极处于贫锂态同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极保证负极的电荷平衡放电时则相反LI从负极脱嵌经过电解质嵌入正极正极处于富锂态在正常充放电情况下锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出一般只引起层面间距变化不破坏晶体结构在充放电过程中负极材料的化学结构基本不变因此从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆反应在充放电过程中Li在两个电极之间往返嵌入和脱嵌被形象地称为摇椅电池RockingChairBatteries缩写为RCB锂离子电池由于工作电压高36V是镉镍氢镍电池的三倍体积小比氢镍电池小30％质量轻比氢镍电池轻50％比能量高160Whkg是镉镍电池的2～3倍氢镍电池的1～2倍无记忆效应无污染自放电小循环寿命长是21世纪发展的理想能源聚合物锂离子电池的正极和负极与液态锂离子电池相同只是原来的液态电解质改为含有锂盐的凝胶或塑化态聚合物电解质目前正在研究和开发的电池也有正极亦采用聚合物的聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池PLIBPolymerLithiumIonBattery又可称为塑料锂离子电池PLIBPlasticLi-ionBattery电解质是将液态有机电解质吸附在一种聚合物基质上故被称作凝胶聚合物电解质这种电解质既不是游离电解质也不是固体电解质因此聚合物锂离子电池不仅具有液态锂离子电池的优良性能而且可制成任意形状和尺寸的电池并可制成厚度仅为1mm的极薄电池一只12V的电池组可以只有3mm厚由于电池中不存在游离电解质消除了漏液问题因此电池结构可大大简化不需要金属外壳和高压排气装置可以简化甚至取消充电保护装置聚合物锂离子电池已于1999年实现商品化研究开发聚合物锂离子电池最早的公司和研究所有美国俄亥俄州GouldElectronic公司的Powerdex分部Bellcore贝尔电讯公司自1994年美国Bellcore研究所开发成功聚合物锂离子电池以来全世界已有近30家公司已进行批量生产或研究开发这类电池如美国的TDI公司Moltech公司日本的National公司Sony公司Sanyo公司GS公司加拿大的Electrofuel公司法国Saft公司马来西亚的Shubila公司等ATL建立于1999年并以极快的速度开发成功了基于Bellcore技术的聚合物锂离子电池目前已步入世界聚合物锂离子电池生产开发的顶级行列22正极材料的结构和性能锂离子电池用正极材料的选择应符合以下要求1相对锂的电极电位高正极材料组成不随电位变化离子电导率和电子电导率高有利于降低电池内阻2锂离子嵌入脱嵌可逆性好伴随反应的体积变化小锂离子扩散速度快以便获得良好的循环特性和大电流特性3与有机电解质和粘结剂接触性能好热稳性好有利于延长电池寿命和提高安全性能至今已发现符合上述要求的正极材料主要有二维层状结构的TiS2零维非晶体材料α-V2O5三维骨架结构的TiO2层状结构的过渡金属氧化物LiCoO2LiNiO2LiNixCo1-xO2尖晶石结构的LiMn2O4具有高插入电位层状结构的过渡金属氧化物LiCoO2LiNiO2LiNixCo1-xO2和尖晶石结构的LiMn2O4是目前已应用的性能较好的正极材料这些正极的插锂电位都可达4V以上vsLiLiLiCoO2为正极的锂离子电池具有开路电压高比能量高理论比能量1068Whkg理论容量274mAhg循环寿命长能快速放电的特点但价格贵LiNiO2与LiCoO2性能接近但制造难LiMn2O4价格低制备比LiNiO2容易但嵌锂容量比LiCoO2LiNiO2低只有100mAhg左右理论容量148mAhg并且在充放电循环过程中LiMn2O4结构不稳定高温性能差一些锂离子电池的正极材料通常是半导体其电导率LiCoO2在10-2Scm-1量级LiNiO2在10-1Scm-1量级LiMn2O4在10-6Scm-1量级由此正极膜片中必需加入导电剂如导电碳黑等同时还要加上金属集流体ATL使用的有LiCoO2LiMn2O4等23负极材料的结构和性能在锂离子电池中以金属锂为负极时电解液与锂反应在金属锂表面形成锂膜导致锂枝晶生长易引起电池内部短路和电池爆炸20世纪80年代人们发现锂在碳材料中的嵌入反应的电位接近锂的电位并不容易与有机溶剂反应有很好的循环性能使用碳材料作负极充放电时在固相内的锂发生嵌入---脱嵌反应6CLie-LiC6-----------2．4负极碳材料的热力学稳定状态为该碳材料处于放电状态由于碳材料的结构不同充放电反应机理也不相同并且碳材料的结构受碳原料和加工条件的影响很大所以有机聚合物及树脂为原料制备的碳纤维高度无序而以焦油沥青制造的人造石墨具有很好的结晶性从提高电池性能出发选用的碳负极材料应符合以下要求1锂贮存量高2锂在碳中的嵌入脱嵌反应快即锂离子在固相内的扩散系数大在电极／电解液界面的移动阻抗小3锂离子在电极材料中的存在状态稳定4在电池的充放电循环中碳负极材料体积变化小5电子导电性高6碳材料在电解溶液中不溶解碳的种类有金刚石石墨乙炔黑活性炭碳纤维等碳原子自身可以通过spsp2sp3杂化轨道成键其中sp2杂化轨道形成三个共平面的σ键碳原子之间通过连续的sp2键形成大的六环网络结构并形成二维石墨层未参与杂化的电子在网络层的两面形成电子共轭大π键层与层之间靠范德华力键
