锂离子电池电芯设计-08

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1、锂离子电池电芯设计特种电源部叶茂主要内容一、基础材料介绍：1正极材料，2负极材料，3电解液，4隔膜，5导电剂。二、电化学基础：1电池原理，2界面概念，3等效电路概念，4内阻的概念，5电化学原理的实际体现。三、极组卷芯设计：1电极设计，2半电池及三电极测试在材料体系设计中的应用，3N/P的影响，4极耳位置对于电池的影响，5极组卷芯不同形式，6安全设计基础。一、基础材料介绍－正极材料ò钴酸锂材料充电约一半时锂离子脱嵌（(x≈0.5)，构造上由六方晶体向单斜晶体转化。随着锂脱嵌反应的进行氧的层间距扩大，当一半以上脱嵌时结构有破坏的趋势。为了减少锂离子在材料内

2、部镶嵌与脱嵌时引起晶格的变化，以及改善循环性能和稳定性能等，材料中部分钴用其他元素代替，如Ni、B、Al等。大粒径、高结晶度对于钴酸锂材料的影响òNCM三元材料ò锰酸锂材料锰酸锂失效机理ò结构不稳定Jahn-TellerdistortionµMn3+的溶解2Mn3+→Mn2++Mn4+Mn3+Mn2+Mn2+负极正极Mnò磷酸铁锂材料LiFePOStructure4ChargedandDischargedHeterosideStructureOlivineStructure2005-7-3一、基础材料－负极材料一、基础材料－电解液锂离子电池电解液特性要

3、求•能较好的溶解电解质盐，即有较高的介电常数；•应有较好的流动性，即低黏度；•对电池的其他组件应该是惰性的，尤其是充电状态下的正、负极表面；•在很宽的温度范围内保持液态，熔点要低，沸点要高；•安全性要好，即闪点要高，无毒。锂离子电池电解液组成示意图电解液溶剂锂盐EC、PC、EMC、DEC等LiPF6、LiClO4、LiBF4等添加剂防过充添加剂阻燃剂抑制气体生成改善SEI膜性能控制水和酸含量电解液常用溶剂物性参数及不同配比的分解电压溶剂种类闪点沸点熔点EC160℃238℃37℃PC------242℃-49℃DMC16℃90℃3℃DEC33℃127℃-

4、43℃EMC23℃108℃-55℃组分EC/DECEC/DMCPC/DEC含量1:11:11:1分解电压4.255.14.35锂离子二次电池电解液常用添加剂ò防过充添加剂；ò阻燃剂；ò抑制气体生成添加剂；ò改善电极SEI膜添加剂。放过充添加剂作用原理过充时,添加剂发生聚合,形成的聚合物增大电池内阻，限制充电电流保护电池。典型实例:BP阻燃添加剂作用原理阻燃添加剂受热时释放出具有阻燃性能的自由基，其可以捕获气相中的氢自由基或氢氧自由基，从而阻止氢氧自由基的链式反应，使有机电解液的燃烧难以进行。抑制气体生成添加剂锂离子电池在充电过程中，由于溶剂、电解质锂盐

5、、杂质的还原分解会产生气体，电池在过充时也会产生气体，锂离子电池在充放电循环过程中生成的气体有CO2、CO、O2、CH4、C2H4、C3H6和C3H8。最主要的产物是CO2，是由于正极活性物质分解和痕量杂质的反应生成的。在电解液中加入一些添加剂如炔衍生物、硅树脂、磺酸基化合物、氟化芳香化合物等可抑制气体的生成。SEI膜形成原理及添加剂作用一、基础材料－锂离子电池隔膜锂离子电池隔膜性能要求ò电子绝缘；ò较小的离子阻抗；ò一定的机械强度；ò耐受电液、电极材料的腐蚀；ò阻止两电极间的杂质的迁移；ò具有电液侵润性；ò材料品质的稳定性。不同材质隔膜的DSC测试数

6、据隔膜shutdown功能示意图常用隔膜基本参数指标电池性能与隔膜选取之间的关系一、基础材料－锂离子电池导电剂òSuperP；ò石墨类导电剂；ò纤维状导电剂。二、电化学基础DischargeCurvesinDifferentTemperaturefor50AhWindingtypeBattery4.2543.7525℃/52Ah(20A)3.555℃/48Ah(20A)3.253Voltage(V)2.75-40℃/46Ah(10A)2.5-40℃/47Ah(20A)2.252051015202530354045505560DischargeCapac

7、ity(Ah)LiFePO4电池组－10度低温放电曲线区43413937）3533电压（V常温31-10度4.5A放电29-10度9A放电27-10度18A放电25012345678910放电容量（Ah）DischargeCurvesatDifferentRateofHEV-LP2770112ABCell3.63.43.23.02.8）2.6V（2.42.2age2.01.Volt81C3C5C10C1.61.415C18C20C25C1.230C35C40C1.001234567Capacity（Ah）ChargeCurvesatDifferentR

8、ateofHEV-LP2770112ABCell4.24.03.8age(V)3.6Volt3