锂电池基础知识.pdf
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1、_ 精品资料 (一)锂电池的构成 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。 锂电池的产业链结构如下图: 电芯的构成如下面两图所示: 锂电池的 PACK 的构成如下图所示 : (二)锂电池优缺点 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)
2、。 对比参数各类电池铅酸电池 镍镉电池 (Ni-Cd) 镍氢电池 (Ni-MH) 锂电池 标称电压(V) 2 1.2 1.2 3.2/3.6/3.7 重量能量密度(Wh/kg) 2530 4045 6065 120200 _ 精品资料 体积能量密度(Wh/L)6580 150180 300350 350400 最佳工作温度() -4070 -2060 -2045 045 安全性安全安全安全有一些隐患 环保铅污染镉污染环保环保 循环寿命(次)200300 500 1000 5001500 电池成本(RMB/Wh) 0.61.0 2.02.6 2.53.8 2.03.5 充电器成本 低 (稳压源)
3、 一般 (恒流源) 一般 (恒流源) 高 (恒流恒压) (三)锂电池分类 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; _ 精品资料 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
4、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。 (四)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。 _ 精品资料 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202
5、00Ah 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。 像容量 1500mAh 的电池,规定 1C=1500mAh ,如果以 2C 放电也就是以 3000mA 的电流 放电, 0.1C 充放电就是以 150mA 的电流充放电。 3. 电压( OCV: Open Circuit Voltage) 电池的电压一般指锂电池的标称电压 (也叫额定电压)。 普通锂电池的标称电压一般为3.7V, 我们也称其电压平台为3.7V。我们说的电压一般指的是电池的开路电压。 当电池 2080% 的容量时
6、,电压集中在3.7V 左右(3.63.9V 左右),容量太高或太低,电 压变化较大。 4. 能量( Energy )/功率( Power ) 电池以一定的标准放电, 电池所能放出的能量 (E) , 单位为 Wh (瓦时)或 KWh(千瓦时), 另外 1KWh=1 度电。 _ 精品资料 物理书上有基本概念, E=U*I*t ,也等于电池电压乘以电池的容量。 而功率的公式为, P=U*I=E/t ,表示单位时间能够释放的能量。单位为W(瓦)或 KW(千 瓦)。 像容量为 1500mAh 的电池,标称的电压一般为3.7V,故对应的能量为5.55Wh 。 5. 内阻( Resistance ) 由于充
7、放电时不能等效为一个理想的电源,有一定的内阻。 内阻是要消耗能量的, 当然内阻 越小越好。 电池内阻单位用毫欧( m)。 一般电池的内阻由欧姆内阻和极化内阻组成,内阻的大小受电池的材料、 制造工艺, 还有电 池的结构的影响。 6. 循环寿命( Cycle Life ) 电池充电和放电一次就称为一个循环,循环使用寿命是衡量电池寿命性能的一个重要指标。 _ 精品资料 IEC 标准规定手机锂电池, 0.2C 放电至 3.0V,1C 充电至 4.2 V,反复循环500 次后电池 容量应保持为初始容量的60%以上。也就是说锂电池的循环寿命为500 次。 国标规定,循环寿命300 次后,容量应保持初始容量
8、的70%。 电池容量低于初始容量的60%一般要考虑报废处理了。 7. 放电深度( DOD: Depth of Discharger) 定义为电池放出的容量占额定容量的百分比。 锂电池一般放电深度越深,电池寿命越短。 8. 终止电压( Cut-Off Voltage ) 终止电压分为充电终止电压和放电终止电压,也就是说电池不能继续充电或放电的电压,在 终止电压下再继续充电或放电对电池的寿命影响很大。 锂电池的充电终止电压一般为4.2V,放电终止电压为3.0V。 锂电池超过终止电压的深充或深放是严格禁止的。 9. 自放电率( Self-Discharge ) 指电池在存放期间容量的下降率,用单位时
9、间内容量下降的百分比表示。 一般的锂电池的自放电率为2%9%/ 月。 10. SOC(State of Charge) 指电池的剩余电量与可以放出总电量的百分比,0100% 。反映电池剩余电量情况。 (五)电池命名规则 _ 精品资料 不同的厂家有不同的命名规则, 但通用电池大家都遵循统一的标准,根据电池的名称可以知 道电池的尺寸等。 IEC61960 规定,圆柱形和方形电池的规则如下: 1. 圆柱形电池, 3 个字母后跟 5 个数字, 3 个字母,第一个字母表示负极材料,I 表示有内置的锂离子, L 表示锂金属或锂合金电 极。第二个字母表示正极材料,C 表示钴, N 表示镍, M 表示锰, V
10、 表示钒。第三个字 母为为 R 表示圆柱形。 5 个数字,前 2 个数字表示直径,后3 个数字表示高度,单位都为mm。 2. 方形电池, 3 个字母后更 6 个数字, 3 个字母,前两个字母的意义和圆柱形一样,后一个字母为P 表示为方形。 6 个数字,前 2 个数字表示厚度,中间2 个表示宽度,后面2 个表示高度(长度),单 位也为 mm。 如:ICR 18650 就是直径为 18mm ,高度为 65mm 的通用的 18650 圆柱形电池; ICP 053353 就是厚度为 5mm ,宽度为 33mm ,高度(长度)为53mm 的方形电池。 _ 精品资料 (六)锂电池工艺 不同的电池、不通的厂
11、家工艺流程有一定的差异,详细的工艺流程会很复杂,下面列出基本的 工艺流程,电芯制作的工艺流程和PACK 制作的工艺流程。 电芯生产工艺流程主要为极片制造、电芯制作、电池装配、注液、化成、分选等工序。 从配料到卷绕,是正极、负极分不同的车间同时做的,正负极做好后再一起做后面的工序。中 间会插入不同的品质检测QA 环节。 (七)电池的成组和串并联 _ 精品资料 应用在不同的领域中, 对电池的要求不一样, 系统对电压,容量,内阻等都有一些特殊的要求。 往往单节电池不能满足要求,需要电池串并联后才能给外供电。 电池串并联后的性能由最差那一节电池的性能决定,也就是我们常说的“木桶原理”,因此电池 成组最
12、重要的一点就是电池性能参数的一致性。 像笔记本,电动自行车,电动汽车,储能系统等都需要考虑电池的串并联组成电池包。 笔记本电池电压一般是11.1V 或 14.8V, 主要采用 18650 电池, 所以一般 2 串 3 并或 2 串 4 并。 Apple iPAD 就是 3 块聚合物电池并联,容量25Wh 左右。 电动自行车和电动摩托车系统一般是24V、36V、48V 、60V、72V 系统,具体成组情况见下表 (S 代表串联)。 _ 精品资料 纯电动汽车和混合动力( EV/PHEV )电压更高, 250500V 左右,最大会串联到150 节以上。 另外电池成组串并联是要考虑很多东西,电池的电压
13、平台的一致性,电池的容量的一致性, 电池的内阻的一致性等。 电池的串并联后其参数的一致性对电池的性能和寿命有很大的影响。 电池包电压锰酸锂 /三元锂磷酸铁锂 12V4S4S 18V5S6S 24V7S8S 36V10S12S 48V13S15S/16S 60V16S19S 64V18S20S 72V20S23S _ 精品资料 (八)各种动力电池对比 动力电池主要是更具其应用来考虑的,主要应用在电动电动汽车、电动自行车、电动工具等。 动力电池区别于普通电池又其一定的特殊性: 1. 电池的串并联 2. 电池的容量较大 3. 电池的放电倍率较大(混合动力和电动工具) 4. 电池的安全性要求较高 5.
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