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锂离子电池的工作原理及安全性 2005年8月 目录 锂离子电池的工作原理及组成 锂离子电池的性能及测试 影响锂离子电池安全性的因素 改善电池安全性的措施和方法 18650 电池示意图 隔膜 正极 负极 安全阀 电解液 锂离子电池的工作原理 Li+ + 6C + e LiC6 LiMO2 MO2 + Li+ + e 锂电制作的一般流程 配浆 涂布 辊压 装配 注液 化成 检测 出货 如何评价锂离子电池 安全性: 短路, 过充, 热冲击 稳定性: 循环和存储 容量: 电池的重量能量比和体积能量比 锂离子电池的测试 安全性: 外短路, 针刺, 过充, 热冲击. 稳定性: 循环500 次和存储性能. 电化学性能: 容量, 不同倍率电流放电性能，高低温放电等. 可靠性测试: 振动, 撞击, 跌落, 挤压. 不同倍率电池放电性能 不同倍率放电容量相近 不同温度下的电池放电特性 1C at 55oC 1C at 25oC 0.5C at -20oC 锂电池安全性 由于能量密度较高, 锂电较容易发生安全性事故. 在使用锂电过程中, 除要求电芯本身要安全可靠外, 成品电池要有保护线路板. 国际上有关锂电池爆炸的报道 2004年全球共有一百二十万电池和电池组被招回 影响锂离子电池安全性的内部因素(1) 材料: 正极材料: LiCoO2的热稳定性及其与电解液反应活性 负极材料的稳定性及配比 电解液的组成 隔膜的选择 材料体系影响整个电池的过充和热稳定性 影响锂离子电池安全性的内部因素(2) 电池结构 结构设计的合理性 工艺 电池制作的过程控制: 极片毛刺, 极粉脱落, 卷绕对位. 不良电池的筛选 内短路: 微短路, 结构性内短路 微短路 主要由正负极片上微粉或凸点刺穿隔膜, 引起电芯内部短路造成. 轻微的将造成自放电率高 严重的将造成电池爆炸 极粉刺穿隔膜造成电池爆炸 极粉内短路 内层负极片掉粉刺穿隔膜, 造成电芯鼓胀 电芯内部短路 主要由于电芯极耳过长, 与极片或与壳体接触造成短路. 或极耳压迫卷芯, 导致正负极短路. 引起电芯发烫, 严重时会导致爆炸. 过充电(电压) 外短路 过温: 150度 30 分钟 以上几种情况均有可能导致电池发生 安全性事故 影响锂离子电池安全性的外部因素 如何防范电池出现安全问题(1) 针对电池的内短路主要从以下几个方面解决 电池结构设计优化 在关键工序使用自动化设备和改善工夹具 通过严格存储条件筛除微短路和内短路电芯 同时材料体系的稳定性也有助于安全性的改善. 微短路和内短路电芯的筛除 自放电严重的电芯有安全隐患 半荷电电芯, 正常情况下, 开路电压大约1个月 压降为15-20mV, 2 个月的压降为25-35mV, 半年压降为50-60mV. 通过严格存储条件, 可把有微短路和内短路隐患的 电芯筛除. 如何防范电池出现安全问题(2) 针对外短路, 过充，和热稳定性主要从电池的材料体系来解决 正负极材料的的选择和处理 电解液组成及添加剂 提高电池本身稳定性和安全性. 过充安全性 主要与电芯正极材料有关. LiCoO2 在4.2V 时, 结构不稳定并放出氧气. 同时电解液在4.2V 时分解, 与LiCoO2反应产生大量热. 导致电芯内压急剧升高发生爆炸. 正负极材料的选择和二次处理 选择安全性和稳定性较好的正负极材料 对比表面较大的材料采取二次处理的方式, 以降低正负极材料的反应活性. 其好处是明显的 电解液的添加剂 改善电池的稳定性: 提高电池的循环性和存储性 改善电池的过充安全性 提高电芯的高，低温性能. 小结 锂离子电池是高能量, 长寿命的移动能源. 但有一定安全隐患. 评价锂离子电池优主要从三个方面:安全性, 稳定性, 和体积容量. 锂离子电池性能取决与材料, 设计和工艺控制 锂离子电池的安全性问题是一个综合性问题,要从电池材料体系，结构设计和工艺控制等方面着手解决. 不同温度 不同电流 循环 图表1 注：-20℃用0.5C放电，其他用1C放电 注：-20℃用0.5C放电，其他用1C放电 25℃放电 55℃放电 -20℃放电 1C放电 0.5C放电 0.2C放电 3K202_8-3 循环次数 比率 1C放电 0.5C放电 0.2C放电 .00 .00 .00 5.30 5.35 4.26 10.70 10.65 8.54 16.00 16.00 12.80 21.30 21.35 17.06 26.70 26.65 21.34 32.00 32.00 25.60 37.30 37.35 29.86 42.70 42.65 34.14 48.00 48.00 38.40 53.30 53.35 42.66 5