锂电池 技术白 皮 书.doc

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1、锂离子电池介绍苏州星恒电源有限公司目录1、 星恒电源介绍 22、 名词解释 33、 各类锂电池的介绍 54、 电池组的应用及认证 9 5、 锂离子电池的应用环境 9 6、 电池组的基本构成及各部件的介绍 101、 苏州星恒电源有限公司介绍苏州星恒电源有限公司成立于2003年，星恒电源技术源于中国科学院物理研究所。依托中科院15年的技术储备，和联想集团资金、管理的支持，星恒电源不断发展壮大，在中国动力锂电池行业处于领先地位，目前位置已有50多万组产品得到海内外市场验证，。与此同时，星恒电源还作为国家863新能源汽车项目的锂电池指定供应商，为北京奥运会提供的新能源汽车圆满完成任务；2010年的上海

2、世博会，星恒电源再次承担起指定汽车锂电池供应商的重要任务。研发上的持续投入、国际间的技术交流、高端技术人才的引进，使得星恒电源在核心技术上始终与国际接轨；并把多项国内外自主知识产权的技术专利应用星恒的生产工艺和锂电池产品上。星恒的研发历史1995年，中国科学院陈立泉院士在美国福特基金的支持下开始动力锂电池的研究；2003年10月，公司总部及动力锂电池生产基地落户苏州高新区，苏州星恒电源有限公司成立；2004年12月，星恒锂电池通过了美国UL认证，成为了10Ah级全球首家获得UL认证的动力锂电池供应商；2005年11月，星恒锂电池通过了欧盟CE认证；2006年1月，星恒锂电池顺利通过了德国Ext

3、ra Energy权威检测机构的检测；2007年底，星恒累计销售锂电池10万组，产品开始远销海外；2010年3月，星恒累计销售锂电池50多万组，首家通过了BATSO认证，并同国内自行车巨头和欧洲自行车巨头开始了战略性合作。A、星恒的治理结构苏州工厂联合实验室材料工厂成都地奥联想投资深圳百利宏管理层持股北京分公司苏州星电源有限公司B、星恒在治理结构上的独特之处：中科院物理所：作为星恒的技术来源和支持，锂电池知识产权归属于星恒所有。因此，星恒是具有独立知识产权的企业；管理层持股：集中体现了国有企业和民营企业的优势，也是目前最适合锂电池行业管理团队的形式之一；材料工厂：星恒具有关键原材料的专利技术，

4、因此，星恒的触角延伸到了上游的材料产业。同合作伙伴共同研发的关键原材料，是星恒持续品质提升的基础；联合实验室：同中科院物理所合作成立的联合实验室，进行持续的新型产品研发，引进多项国内外高精尖技术，确保星恒的产品在未来的竞争中始终保持领先的地位。C、星恒的技术路线基于产品安全性、电池组的优良性能和成本的考虑，星恒电源使用具有自主知识产权的改良性锰酸锂作为正极材料。动力锂电的应用场合区别于小电池，电池在高倍率放电情况下需要热量的均匀分布，所以电芯极片组采用层叠式工艺。考虑到电动自行车、电动汽车的应用环境比较恶劣，外壳必须采用有一定的强度要求，星恒锂电坚持硬壳包装方式。保护电路是抗滥用的第一道防线，

5、星恒坚持自主开发保护锂电池的保护电路，严格管控充电器技术要求。2、 锂电池相关名词解释A 锂离子电芯（Cell） 电芯：直接将化学能转换为电能的基本单元装置，包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子等，并被设计成可充电。锂离子电芯：含有机溶剂电解质，利用储锂的嵌入化合物或单质作正极和负极的蓄电池，未含有电子控制装置。B 电池组（Battery）由一个或多个单体电池连接而成的可以直接作为电源使用的组合体。它包括外壳、端子，还含有电子控制装置。C 电池组容量（capacity） 电池的容量有标称容量与实际容量之分。标称容量：制造商标称的单体电池或电池组容量。指单体电池或电池组在环境温度为232条件下，按

6、标准充电方法充满电后，以2h率放电至终止电压时所提供的电量值，用C2表示，单位为Ah（安时）或mAh（毫安时）。电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率、工作环境温度等影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。容量常见单位有：mAh、Ah（1Ah=1000mAh）D 电池组的循环寿命（Cycle Life）电池的循环寿命不是指电池使用到完全不可以再进行充放电时的次数，而是指电池经100%深度放电其容量减至原来容量的60%左右时的充放电循环次数。星恒锂电池组的循环寿命在600次以上。因为电池固有的化学特性，如果长时间搁置不用也会造成容量衰减，甚至造成寿命终结，

7、所以长时间不用只是搁置，大约过4年也会造成锂电池的寿命终结。我们称之为电池的日历寿命。长时间搁置中的维护对电池非常重要，锂电池制造商一般建议用户每两个月补充电2个小时。E 锂电池的电压标称电压 （Nominal Voltage）用来表示单体电池或电池组电压的适宜的近似值。 标称电压根电池的自身化学特性有关，不受体积、外形等因素影响。例如锰酸锂电芯的标称电压是3.7V，磷酸铁锂的标称电压是3.2V，而镍氢电池的标称电压是1.2V。充电截至电压制造商根据电芯的化学特性和实际使用环境的限制而制定锂电池充满电的电压值。星恒的锂电池一般设定在4.25V。放电截至电压制造商根据电芯的化学特性和实际使用环境

8、的限制而制定锂电池终止放电的电压值。星恒的锂电池一般设定在2.7V。过充与过放当某电芯充电后的电压大于4.25V，我们称之谓此电芯过充；当某电芯放电至电压小于2.7V，我们称之谓此电芯过放；F 电池组的倍率性能（C-Rate）指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数，通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为10Ah，则10A为1C（1倍率），5A则为0.5C，30A为3C，依次类推。 G 电池组的自放电率 （selfdischarge rate）又称荷电保持能力（charge or capacity retention），是指电池在开路状态下，电池所

9、储存的电量在一定条件下的保持能力。主要受电池的制造工艺、材料、储存条件影响。自放电率是衡量电池性能的重要参数之一。注：电池充满电开路搁置后，一定程度的自放电属正常现象。IEC标准规定镍氢及镍镉电池充满后在202条件下开路搁置28天，可允许电池有35%40%的容量损失；锂离子电池一般小于10%。H 电池组的放电深度（DOD）指电池放出的容量占额定容量的百分数。 减小放电深度可以大大延长蓄电池的使用寿命 过充过放对电池的寿命有损害。 I 电池组的内阻（Internal Resistance）电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。内阻大小主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素的

10、影响。电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，不能高倍率放电等现象，因此内阻是衡量电池性能的一个重要参数。电池内阻包含直流电阻和交流电阻。注：电池的内阻需要用专用内阻测试仪测量，而不能用万用表欧姆档测量。3、 各种锂电池的介绍A、 按正极材料分类 ：钴酸锂、三元材料、锰酸锂、磷酸铁锂钴酸锂锰酸锂磷酸铁锂镍钴锰酸锂耐过充氧化性很强一般弱强过充极限0.5C/6V3C/10V3C/10V0.5C/6V用作动力电池的安全性很不安全安全性能好安全性能好不安全安全容量1Ah1030Ah可达100Ah/大功率能力好很好一般/价格昂贵低廉低廉一般钴酸锂材料用为最早应用于锂电池的材料，与锰酸锂和其他正极材料相

11、比，其优点是克容量高，仅次于二/三元材料，一般情况达到140mAh/g，体积比能量最高，同时该材料的加工性能良好，应用工艺很成熟，广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3/4等小型电子设备中，但是钴酸锂材料的致命缺陷是材料的安全性能差，尤其是在过充的时候，当正极中的锂脱嵌到一定程度时，钴酸锂结构会发生破坏，产生大量的氧，引起电芯的燃烧爆炸。二/三元材料，其结构和钴酸锂类似，也是层状结构，材料的克容量最高，可以达到150mAh/g，这也是采用三元材料的电芯在体积和重量上有优势的主要原因，但三元材料的安全性能与钴酸锂接近，尤其是做成容量超过5Ah以上的电芯，在进行滥用测试时，经常发生燃烧或爆炸的安全性问

12、题；另外，二/三元材料的放电平台低，仅有3.6V左右，与锰酸锂材料相比，在相同容量的情况下，能量要低8-9%，并且在实际使用中，因控制器的关闭电压较高，对三元材料的容量影响也较锰酸锂材料电芯更大。在成本方面，由于使用了金属钴、镍作为主要成分，价格较高，目前为180-200元/kg，综合材料成本约为锰酸锂的1.5倍。锰酸锂材料属尖晶石结构，热稳定性好，制作的电芯安全性能优越，能通过包括UL1642、BASTO、UN38.3等各种安全性能测试。锰酸锂电芯的最大缺点是比容量要低于三元材料。锰酸锂制备的电芯，电性能比较稳定，在正常情况下，电芯的循环性能超过600周。磷酸铁锂材料，是一种新兴的正极材料，

13、与其他材料相比，电芯的循环性能较好，一般情况下，0.5-1.0C电流放电，1000周容量衰减约10-20%，电芯的安全性能也比较好，是未来一种比较理想的正极材料，但是，由于磷酸铁锂，从材料本身制备到应用于此材料制作电芯的过程中，工艺还不成熟，三价铁锂子的控制难度大、材料导电能力差，有待进一步提高，同时，磷酸铁锂的专利问题不可回避，这会是批量生产、销售和使用难以逾越的一个障碍。目前市场上应用于电动自行车的锂电池主要是锰酸锂和三元材料两种，如下将这两种材料的优缺点做简单对比项目三元材料锰酸锂安全性材料三元材料中一般含钴、镍，其分子结构为层状结构，分子易塌陷、脱氧，从而导致内部安全问题锰酸锂属于尖晶

14、状结构，热稳定性好容量等级因为三元材料中含有活性很强的材料钴，所以不适合做大容量的锂电池，容量越大，安全越不容易保证锰酸锂材料的安全等级更高，在20Ah以下等级的锂电池使用锰酸锂材料有很高的安全等级工作性能重量和体积三元材料克容量和体积容量高，所以相同容量下，其体积较小锰酸锂的克容量和体积容量较三元材料小，相同容量的重量较大能量因为三元材料中含有元素镍，所以三元材料的锂电池工作电压平台较锰酸锂低（3.6V）,所以相同容量的电池，三元材料的电池能量较低锰酸锂工作电压平台高（3.8-3.9V），所以相同容量的电池的能量高；约高5-10%。循环寿命三元材料锂电池约前300次的循环比较平缓，但是过了这

15、个点电池会衰减的非常快；锰酸锂整个循环寿命曲线很平缓；目前星恒的电池组平均循环寿命在600次以上；成本成本三元材料成本高，大约是锰酸锂的1.5倍锰酸锂材料成本较三元材料低B、按外壳包装分硬壳、铝塑膜目前国内可以生产的动力电池，从外壳上可以分成硬壳和铝塑膜两种，一些采用铝塑膜作为电芯外壳的厂家自称是聚合物电芯，实际上，他只是采用了解聚合物电芯的包装形式，实质上是一种液态软包装电芯，和硬壳电芯相比，仅仅是包装材料有有差别，内部结构、化学体系和工艺方案完全是一样的，其电化学性能基本上是一致的，没有本质区别。从电芯的外壳上来区分，目前应用于电动自行车的锂电池主要有钢壳和铝塑膜两种包装，以下就这两种包装

16、的电芯对比：硬壳铝塑膜安全性能安全性能好，在电芯跌落、振动、磕碰时，不会产生安全隐患；电芯安全性能的设计比较关键，对电芯的安全性有重要影响因为采用的是铝塑膜包装，包装层厚度仅0.08-0.15mm，轻微的跌落、振动或磕碰时，会引起包装膜的破损，造成安全隐患；重量比能量一般高，星恒电源的单体电芯，10Ah电芯的重量相差约60g循环性能正常情况下，循环性能超过600周，可以达到800-1000周由于采用了铝塑膜作为外包装，而电芯内部实际上仍和硬壳一样，在封装时，必须采用抽真空封口方式，造成的结果是电芯内部电解液量偏少，对电芯的300周后的循环产生不良影响贮存性能电芯的密封采用的是激光焊接密封，电芯

17、内部处于全封闭状态，外界的杂质，尤其是水不会对电芯性能产生影响，电芯可以在很长的时间内保持电性能稳定电芯包装采用的是CPP热封方式密封，不管密封层有多厚，但是CPP是会透水的，在长时间放置时，环境中的水分会透过CPP渗透到电芯内部，当水进入到电芯内部时，会对电芯的性能产生致命的影响C、按极片结构分层叠式、卷绕式电芯内部结构可以分为叠层式和卷绕式两种。对于容量较小（一般指小于2Ah）的电芯，因为其工作中产热量相对较小，同时从批量操作可行性考虑，基本上采用卷绕方式要更多一些，而大容量电芯，则以叠层方式为主。卷绕电芯和叠层方案对电芯性能的影响主要表现以几下几个方面：1、电芯内部热量分布有差异：层叠式

18、层叠电芯在工作时热量分布比较均匀，不会因为高倍率（大电流）放电时电池内部产生严重的温度差。卷绕式2、卷绕电芯内部，在卷绕过程中，会存在一定的应力，当电芯在充放电的时候，会造成应力较大部分的极片产生脱料、容量发挥欠佳等情况，严重的会影响到电芯的安全性能；3、卷绕电芯必须在极片上焊接金属的极耳，此金属极耳的厚度和硬度远高于极片本身，在卷绕过程中，易对隔膜造成压伤，在循环过程中，这种压伤会慢慢扩大，会导致电芯产生安全性问题；4、因为卷绕电芯在工作时产热量不均匀，尤其是金属极耳部分，产热量更高，这样极片的不同部位的工作环境产生差异，温度高的部分，循环性能变差，最终导致整个电芯的电性能失效。层叠式卷绕式

19、示意图优点1、 温度分布均匀2、 电芯内阻小3、 内部没有应力存在1、 体积能量密度大2、 易实现产业自动化缺点1、 体积能量密度小2、 市场上买不到现成的产业自动化设备1、 内部温度分度不均匀2、 内部有应力存在3、 电芯内阻大安全性叠层式电芯内部温度分布均匀、没有应力存在且电芯内阻小，从设计的角度发生异常的几率大大降低，安全性大大提升；在放电过程中由于内部温度分布的不均匀、电芯内阻大且存在内部应力，从设计的角度出发，大大提升了电芯内部发生异常的几率，存在安全隐患；功能性由于内部温度分布均匀加上内阻小，使电芯在放电过程中的温升大大降低，对电池的循环寿命有很大的好处；由于电芯的内阻小，实际放电

20、过程中电芯的温升小，所以比较适合于大电流放电，电池的倍率性能好；放电时温度分布不均匀，且电芯内阻大，容易造成电芯内部的温度高的地方先衰竭，造成电池的循环寿命降低；同时因为温度分布不均匀和内阻大也不适合于高倍率放电，电池的倍率性能不好；D、按电解液状态分液态、固态锂离子电池按照电池内部电解液来分类可分为液态、固态两种。目前市场应用的锂电基本使用是液态电解液，即使聚合物电池也是采用基本液态电解液。4、 星恒锂电池的认证序号认证名称说明星恒电池组认证情况1UN38.3联合国危险物品运输试验和标准手册的第3部分38. 3款，即锂电池作为危险品运输，必须通过高度模拟、高低温循环、振动试验、冲击试验、 5

21、5外短路、撞击试验、过充电试验、强制放电的测试，以确保运输过程中不会有安全问题发生。2008年3月通过UN38.3认证2UN3480UN3480是锂离子电池作为危险品运输必须遵守的包装规范，该规范规定了锂离子电池必须通过UN38.3的测试认证，同时还要满足相关的包装及标示要求；符合UN3480的标准3CE主要是针对电池组的电磁辐射和电磁兼容作认证，主要参考标准是EN61000-6-3 和EN61000-6-1。星恒所有的电池组均通过CE认证4UL1642UL1642 是针对锂电池电芯的安全认证标准，是北美权威的关于锂电池安全测试的标准；2004年11月星恒10Ah级电芯全球首家通过UL认证5U

22、L2054UL2054是针对锂电池组的安全认证标准2008年初星恒进入北美市场的电池组通过UL认证6EN15194EN15194规定最大连续功率不大于250W的电动助力两轮车及其零部件在没计、组装方面的安全性能要求与检测方法,同时涉及到对直流电压为48V的电气部件或使用230V外接电源电池充电器的相关要求。符合EN15194中电池相关的测试要求72006/66/EC该指令是针对电池产品的环保要求提出具体要求，包括电池产品有害物质的限量、电池的环保标示以及电池回收的要求等所有电池都符合相关环保的相关规定8BATSO是由德国ExtraEnergy e.V.、台湾工业研究院Industrial Te

23、chnology Research Insitute (ITRI)、TUV Rheinland Taiwan Ltd、UL Inc联合倡导的专门针对二次充电电池的严苛测试实验。是目前为止针对锂电池安全运输、安全使用等最严格的测试标准；2010-3-15星恒获得全球首张BATSO认证证书5、 锂电池的应用环境锂电池的性能表现和周围环境条件有密切的关系，锂电池经常工作在常温（25）条件下对于锂电池的循环寿命及各项性能参数都有非常大的好处，温度越高循环寿命下降越快，温度越低容量越不能完全释放。锂电池的储存和运输也要保证周围的环境温度不能过高。动力锂电池应用在电动自行车的动力系统中，整个动力系统中，电

24、机、控制器及整车的各项参数的设定与锂电池的相关参数的匹配对锂电池的性能表现和循环寿命也有密切的关系，所以必须要合理选择锂电池及与其相匹配的动力系统。锂电池的使用及储存条件：工作环境范围放电-2055充电045储存环境范围-20356、 电池组的基本构成及各部件的介绍 电池组关键部件有电芯、保护板和外壳 充放电口的设计、外壳的设计以及机械锁的设计必须考虑电池组与整车的安装配合及整体造型美观； 电芯的排列要考虑整车的美观，更重要的是要考虑电池组设计适合批量生产的需求； 保护板的参数设定必须和控制器的参数设定相匹配，以达到最优工作状态； 充电器是电池组系统中不可缺少的部件，其参数的设定必须和保护板的相关参数相匹配，必须要要经过电池制造商的技术确认，不可随意从市场上购买；