聚合物锂离子电池课件.ppt

1、电 池版权所有:何 刚电电 池池电池是何时发明的最好的电池是什么完美的锂离子电池?电池的结构电池的保护回路对镍基电池充电对锂离子电池充电在高低温环境充电在高低温环境放电放电方式电池的内阻聪明电电池的存储和使用电池的回收电池可供电能力的秘密不可恢复的电池问题记忆效应:传说?事实?怎样延长锂离子电池的寿命电池的循环为数字移动寻找最好的电池电电 池池 电池是何时发明的q 伏特q 干电池q 充电电池电电 池池 电池是何时发明的电池的发明历史1600Gilbert(英国)电化学体系的建立1791Galvani(意大利)动物电极的发现18001802182018331836185918881899Volt

2、a(意大利)Cruickshank(英国)Ampere(法国)Faraday(英国)Daniell(英国)Plante(法国)Gassner(USA)Jungner(瑞典)伏特电池的发明电极电池的批量生产磁电转换法拉第定律发表发明daniell电池发明铅酸电池发明干电池发明镍镉电池1901193219471960s1970s199019921999Edison(USA)Shlecht&Ackermann(德国)Neumann(法国)Union Carbide(USA)Kordesch(加拿大)发明镍铁电池发明烧结电极电池成功密封镍镉电池发展了碱性干电池发展了阀调节铅酸电池镍氢电池的商业应用可充

3、电碱性电池的商业应用锂离子聚合物电池的商业应用2002质子膜交换燃料电池的小批量生产电电 池池最好的电池是什么q 镍镉电池q 镍氢电池q 锂离子电池电电 池池最好的电池是什么高容量1000次以上的充放电能力超薄-象卡片一样镍氢电池(Ni-MH)镍金属氢可充电电池镍镉电池(NiCd)镍镉可充电电池铅酸蓄电池(Lead Acid)锂离子电池(Lithium Ion)锂离子聚合物电池(Lithium Polymer)可充电碱性电池(Reusable Alkaline)电电 池池最好的电池是什么NiCdNiMHSLALi-IonReusableAlkalineEnergy density(Wh/kg)

4、40-6060-803010080(initial)Cycle life(capacity decrease from original 100%to 80%)1500 500200-300500-1,000 10(to 65%)Fast charge time1-1.5 h2-4 h8-16 h3-4 h2-3 h Overcharge tolerancemoderatelowhighvery lowmoderateSelf-discharge per month(room temperature)20%30%5%10%0.3%Cell voltage(nominal)1.2V1.2V2V3

5、.6V1.5VLoad current2C0.51C0.2C1C0.2C Operating temperature-4060-2060-2060-2060060Maintenance requirement(to obtail max.service life)30-60 days60 days3-6 months not req.not req.Typical battery cost(US$,reference only)$50.007.5V$70.007.5V$25.006V$100.007.2V$5.009VCost per cycle(US$)$0.04$0.14$0.10$0.1

6、0-$0.20$0.50 In commercial use since19501990197019911992电电 池池最好的电池是什么电电 池池完美的锂离子电池?电电 池池完美的锂离子电池?镍镉NiCd镍氢NiMH1912 G.N.Lewis 金属锂电池 研究工作1970 金属锂电池(一次性)投入商业生产和应用 可充电的金属锂电池研发失败1991 索尼公司成功推出非金属态的锂离子可充电电池锂离子电池的历史电电 池池完美的锂离子电池?电电 池池完美的锂离子电池?锂离子电池优点:高能量密度:镍镉电池的三倍,镍氢电池的两倍电压平台高:3.6V,镍基电池为1.2V低维护性:没有记忆效应,无需定期放

7、电低自放电率:环保:无重金属 锂离子电池缺点:安全性能问题:需复杂的保护线路放电倍率低:1C2C易于老化:存储的锂离子电池照样会容量衰竭价格昂贵:电电 池池完美的锂离子电池?聚合物锂离子电池1970 固体的聚合物电解质-导电性差,内阻高,1971 无法提供瞬间的大电流1972NOW 在固体聚合物电解质中加入凝胶状电解质1973典型液态锂离子电池和聚合物锂离子电池的杂合1974 1975聚合物的研发速度不够快1976应有优点:高容量1977 高安全性能(无需保护线路)电电 池池完美的锂离子电池?聚合物锂离子电池优点:超薄 信用卡可变形 可随意设计外形重量更轻 无需金属壳 安全性能 改善 耐过充,

8、不漏液 聚合物锂离子电池缺点:低能量密度 相对于液态锂离子电池生产昂贵没有标准外形电电 池池电池的结构电电 池池电池的结构圆柱型电池结构电电 池池电池的结构方形电池结构电电 池池电池的结构纽扣型电池结构电电 池池电池的结构聚合物电池结构电电 池池电池的保护回路电电 池池电池的保护回路镍氢电池的保护PTC正温度系数热敏电阻过流温度过高PTC电电 池池电池的保护回路PTC正温度系数热敏电阻polyswitch聚合物自复保险丝(polymer resettable fuse)聚合物自复保险丝由聚合物基体及使其导电的碳黑粒子组成。由于聚合物自复保险丝为导体，其上会有电流通过。当有过电流通过聚合物自复保

9、险丝时，产生的热量（为I2R）将使其膨胀。从而碳黑粒子将分开、聚合物自复保险丝的电阻将上升。这将促使聚合物自复保险丝更快的产生热、膨胀得更大，进一步使电阻升高。当温度达到125C时，电阻变化显著，从而使电流明显减小。此时流过聚合物自复保险丝的小电流足以使其保持在这个温度和处于高阻状态。当故障清除后，聚合物自复保险丝收缩至原来的形状重新将碳黑粒子联结起来，从而降低电阻至具有规定的保持电流这个水平。上述过程可循环多次.电电 池池电池的保护回路电阻电阻T温度温度 25 125 22550毫欧100K欧姆电电 池池电池的保护回路锂离子电池的保护Q1CONTROL ICB+B-P-P+Block Dia

10、gramB-B+Q1 ICP-P+电电 池池电池的保护回路锂离子电池的保护过充(overcharge)4.25V35V过放(overdischarge)2.3V2.5V过流(overcurrent)5A短路(shortcircuit)/温度保护(PTC,Fuse)电池标识标识电阻,标识码电量计量库仑计实时时钟RTS 电电 池池电池的保护回路Q1CONTROL ICB+B-P-P+VbatVchg过充:VchgVoc(4.35V)Q1切断过 充电电 池池电池的保护回路Q1CONTROL ICB+B-P-P+VbatVload过放:VloadVod(2.5V)Q1切断过 放电电 池池电池的保护回路

11、Q1CONTROL ICB+B-P-P+Vbat短路:VP+VP-=0VQ1切断短 路短路保护可自恢复,短路故障移除后Q1自动导通短路保护不可自恢复,需充电来触发Q1导通电电 池池电池的保护回路Q1CONTROL ICB+B-P-P+IDNTC电池输出的其它管脚ID:通常是一个常规电阻,固定阻值,用来标识电池的类型或容量NTC:负温度系数热敏电阻,电阻随温度变化,用来反应电池的温度电电 池池电池的保护回路P-NTCID上拉电阻(10K)3V电池手机接口电路CPU I/OVidID原理ID原理:电阻转电压A/D转换根据不同电压值识别电池的类型10K:NiMH75K:厚电150K:4.2V Li-

12、Ion47K:薄电电电 池池电池的保护回路P-NTCID上拉电阻(10K)3V电池手机接口电路CPU I/OVntcNTC原理NTC原理:电阻转电压A/D转换根据不同电压值识别电池的温度NTC电阻值随电池的温度变化电电 池池电池的保护回路NTC原理NTC电阻参数:1.R25(室温电阻值),即标称电阻2.K(温度系数),反映热敏电阻的温度敏感性Rt=R25*expK*(1/T-1/298);T=273+t;010203040506070024681012141618202224262830TempRntcK=2750K=3750电电 池池电池的保护回路电电 池池对镍基电池充电可以过充,而且只有过

13、充了才能充饱电池限制电流电电 池池对镍基电池充电慢充半恒流/小电流充电时间:1015h最常规的充电方式简单/经济慢充恒流/中小电流时间控制充电时间:68h较可靠较简单/较经济快充恒流/大电流负压差控制充电时间:1.2h较常用快充恒流/大电流温升控制充电时间:1.2h较常用/较可靠较贵充电方式:CC constant current电电 池池对锂离子电池充电不允许过充严格限制电压和电流电电 池池对锂离子电池充电充电方式:CC/CV constant current/constant voltage电电 池池在高低温环境充电电电 池池在高低温环境充电镍镉电池:545是 可以接受的充电范围1025是

14、最佳的充电范围低于5,充电倍率必须小于0.1C,低温不利于氧气和氢气的结合 高倍率充电将导致电池内压异常增减,结果导致电池漏气高温环境会严重影响充电接受能力镍基电池在室温充电可以得到100%的容量 在45充电 70%在60充电 45%镍氢电池:比镍镉电池适应性差低于10,不能快充低于0,不能慢充锂离子电池:一些锂离子电池可以在045 可以用1C进行充电一般尽量在5以下用慢充方式进行充电.尽量避免在冰点以下进行充电,否则可能会导致金属锂的析出和电镀反应超快速充电:在前30分钟以大电流将电池容量充到70%左右在后阶段以较小电流将剩余的容量充足超快速充电只能适合专门设计的允许超快速充电的电池脉冲充电

15、:在充电过程中间隔的进行放电有利于电极上氢气和氧气的结合,降低快速充电造成的内压升高现象(镍基电池)电电 池池在高低温环境充电电电 池池放电方式电电 池池放电方式电池的主要作用:将存储的能力在适当的时间以可控的方式进行释放将存储的能力在适当的时间以可控的方式进行释放C倍率(C-rate)电池的充电和放电是以C倍率进行度量的,一般电池的容量是以1C进行规定的1C的定义:一个1000mAh容量的电池用1C倍率进行放电,可以提供1小时的1000mA电流输出能力 同样的电池,用0.5C倍率进行放电可以提供2小时的500mA电流输出能力同样的电池,用2C倍率进行放电可以提供30分钟的2000mA电流输出

16、能力(理想情况)因为电池内阻的影响,一般无法实现.2.52.72.93.13.33.53.73.94.14.34.50100200300400500600700800900Discharge Capacity(mAh)Cell Voltage(V)2.0C0.5C 0.2C1.0C3.0CICF383562 1CmA=750mACharge :CC-CV 1.0C-4.2V 20mA cut-off at 25Discharge :CC 0.2C/0.5C/1.0C/2.0C 2.75V cut-off at 25ItemCut-off0.2C0.5C1.0C2.0C3.0CDisch.2.7

17、5V800795786775755Capacity3.00V797789777760728Ratio vs.2.75V100%99%98%97%94%0.2C 2.75V3.00V100%99%97%95%91%电电 池池放电方式电电 池池放电方式放电深度(Deep of Discharge)镍基电池的放电终止电压通常是1.0V/节锂离子电池的放电终止电压通常是3.0V/节(2.5V/节)放电深度和循环寿命循环寿命和放电深度是直接关联的300次-100%放电度(full discharge)600次-50%放电深度(partial discharge)1000次以上-30%放电深度(shall

18、ow discharge)电电 池池放电方式50%放电100%放电75%电电 池池放电方式脉冲放电(pulse discharge)数字移动GSM的最大脉冲放电电流可达2A脉冲放电(特别是在数字移动上)会缩短充电电池常规循环寿命.电电 池池电池的内阻电电 池池电池的内阻rR 负载内阻:10毫欧几百毫欧I:电流输出电流越大,内阻的影响越大,电池的无用损耗也随之增加电电 池池电池的内阻155毫欧毫欧778毫欧毫欧电电 池池电池的内阻电电 池池在高低温环境放电电电 池池在高低温环境放电-2060高温影响电池的循环寿命低温影响电池的放电性能电电 池池在高低温环境放电ICF383562 1CmA=750

19、mACharge :CC-CV 1C-4.2V 20mA cut-off at 25Discharge :CC 0.2C 2.75V cut-off at 20/10/0/25/40/60(after 4h standing)2.52.72.93.13.33.53.73.94.14.34.50100200300400500600700800900Discharge Capacity(mAh)Cell Voltage(V)-20:84%-10:98%0:103%25:106%40:106%60:105%*Percentage is an index of nominal capacity(750

20、mAh).0.2C放电ICF383562 1CmA=750mACharge :CC-CV 0.5C-4.2V 20mA cut-off at 25Discharge :CC 1C 3.0V cut-off at 20/10/0/25/40/60(after 4h standing)2.72.93.13.33.53.73.94.14.34.50100200300400500600700800Discharge Capacity(mAh)Cell Voltage(V)-20:4 8%-10:7 8%0:9 2%25:1 04%40:1 04%60:1 03%*Percentage is an in

21、dex of nominal capacity(750mAh).电电 池池在高低温环境放电1C放电电电 池池在高低温环境放电电电 池池记忆效应:传说?事实?认识记忆效应电池记忆效应是指电池的可逆失效,即电池失效后可重新回复的性能.记忆效应是指电池长时间经受特定的工作循环后,自动保持这一特定的倾向.这个最早定义在镍镉电池,镍镉的袋式电池不存在记忆效应,烧结式电池有记忆效应.而现在的镍金属氢(俗称镍氢)电池不受这个记忆效应定义的约束.因为现代镍镉电池工艺的改进,上述的记忆效应已经大幅度的降低,而另外一种现象替换了这个定义,就是镍基电池的晶格化,通常情况,镍镉电池受这两种效应的综合影响,而镍氢电池则

22、只受晶格化记忆效应的影响,而且影响较镍镉电池的为小.电电 池池记忆效应:传说?事实?电电 池池记忆效应:传说?事实?晶格化记忆效应新的电池,其电极材料的晶粒细小截面直径仅1微米.可以得到最大的电极表面积.晶体化形成后,晶粒增大,其晶粒直径可达100微米,大大的减小了可用电极面积.而且长大的晶粒可能会造成自放电增大,电极隔膜被晶体戳穿造成微短路.使电池容量降低,性能受损.经过修复,晶粒尺寸变小,直径恢复到35微米,电池性能明显恢复.修复方法:锻炼(exercise)重整(recondition)电电 池池记忆效应:传说?事实?在实际应用中,消除记忆效应的方法有严格的规范和一个操作流程.操作不当会

23、适得其反.对于镍镉电池,正常的维护是定期深放电:平均每使用一个月(或30次循环)进行一次深放电(放电到1.0V/每节,称之为exercise),平常使用时尽量用光电池或用到关机等手段可以缓解记忆效应的形成,但这个不是exercise,因为仪器(如手机)是不会用到1.0V/每节才关机的,必须要专门的设备或线路来完成这项工作,幸好许多镍氢电池的充电器都带有这个功能.对于长期没有进行exercise的镍镉电池,会因为记忆效应的累计,无法用exercise进行容量回复,这时则需要更深的放电(recondition),recondition是一种用很小的电流长时间对电池放电到0.4V每节的一个过程,需要

24、专业的设备进行.电电 池池记忆效应:传说?事实?Exercise常规负载电流Recondition很小且受控的电流Exercise和recondition对于镍镉电池,正常的维护是定期深放电:平均每使用一个月(或30次循环)对于镍氢电池,exercise进行的频率大概每三个月一次即可有效的缓解记忆效应.因为镍氢电池的循环寿命远远低于镍镉电池,几乎用不到recondition这个方法.每次充电以前对电池放电是没有必要,而且是有害的,因为电池的使用寿命无谓的减短了.用一个电阻接电池的正负极进行放电是不可取的,电流没法控制,容易过放到0V,甚至导致串联电池组的电池极性反转.电电 池池记忆效应:传说?

25、事实?电电 池池记忆效应:传说?事实?锂离子电池锂离子电池没有记忆效应没有记忆效应锂离子电池锂离子电池无需专门放电无需专门放电电电 池池电池的循环电电 池池电池的循环NiCd电池的循环特性容量衰减,电池内阻和自放电等性能表现优异高容量NiCd电池的循环特性以牺牲循环性能来获得较高的初始容量电电 池池电池的循环NiMH电池的循环特性300次循环后,性能大大下降锂离子电池的循环特性性能优异电电 池池电池的循环充电:1C恒流/4.2V恒压,3小时终止放电:1C恒流(2.75V截止)环境温度:20度3.3V2.75V放电平台的衰竭随着电池的循环使用,比如500次循环以后,它实际可利用的容量比规定的75

26、%要差的多,从图中看到仅仅是50%左右50%50%电电 池池不可恢复的电池问题有些电池缺陷是可以通过后期的修复进行改正的,比如电池的记忆效应但是有些缺陷是不可恢复的电电 池池不可恢复的电池问题高的自放电率电池不匹配电池短路电解液泄漏充电器电池电源适配器手机充电过程的三个主体电源适配器:完成交流到直流(AC/DC)220V到低压的转换提供充电所需的电压和电流充电控制(手机内部分电路):完成对充电的控制和管理电池:被充电对象充电控制电池电源适配器手机(含充电控制)(充电载体)充电控制其它情况电源适配器:1.线性电源:铁芯变压器+整流桥+稳压管(保护用)+保险丝输出功率小,效率低,输入电压适配性差(220V或110V)输出电压纹波大,输出电压不稳,短路电流大笨重便宜2.开关电源高频陶瓷变压器+开关控制电路+电压反馈,电流反馈控制输出功率大,效率高电压适配性强(90V264V)输出电压纹波小输出电压稳定,电流稳定,短路有保护轻巧贵3.混合式线性电源的原理图T1F1115 C/250VR14.3ohm/3W1234D1D4C1C4103ZD15V/1WAC 220VUI187V242V线性电源的输出开关电源的原理图UI开关电源的输出混合式(铁芯变压器+开关电路)控制IC电池电源适配器NTCVccVbatIchgRsense充电控制改变开关管不同的开关占空比达到控制电压和电流的目的充电指示