电池和超级电容器基础知识.docx

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电池和超级电容器基础知识

一、电池基础知识

1、一次电池和充电电池有什么区别？

电池内部的电化学性决定了该类型的电池是否可充，根据它们的电化学成分和电极的结构可知，真正的可充电电池的内部结构之间所发生反应是可逆的。

理论上，这种可逆性是不会受循环次数的影响，既然充放电会在电极体积和结构上引起可逆的变化，那么可充电电池的内部设计必须支持这种变化，既然，一次电池仅做一放电，它内结构简单得多且不需要支持这种变化，因此，不可以将一次电池拿来充电，这种做法很危险也很不经济，如果需要反复使用，应有尽有选择真正的循环次数在1000次左右的充电电池，这种电池也可称为一次电池或蓄电池。

2、一次电池和二次电池还有其他的区别吗？

另一明显的区别就是它们能量和负载能力，以及自放电率，二次电池能量远比一次电池高，然而他们的负载能力相对要小。

3、可充电便携式电池的优缺点是什么？

充电电池寿命较长，可循环1000次以上，虽然价格比干电池贵，但如果经常使用的话，是比较划算的。

充电电池的容量比同规格的碱锰电池或锌碳电池低，比如，他们放电较快。

另一缺点是由于他们几近恒定的放电电压，很难预测放电何时结束。

当放电结束时，电池电压会突然降低。

假如在照相机上使用，突然电池放完了电，就不得不终止。

但另一方面可充电电池能提供的容量比太部分一次电池高。

但Li-ion电池却可被广泛地用照相器材中，因为它容量高，能量密度大，以及随放电深度的增加而逐渐降低的放电电压。

4、充电电池是怎样实现它的能量转换？

每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存的化学能直接转换成电能，就二次电子（也叫蓄电池）而言（另一术语也称可充电使携式电池），在放电过程中，是将化学能转换成电能；而在充电过程中，又将电能重新转换成化学能。

这样的过程根据电化学系统不同，一般可充放电500次以上，而我司产品li-ion可重复充放电1000次以上。

Li-ion是一种新型的可充电便携式电池。

它的额定电压为3.6V，它的放电电压会随放电的深度逐渐衰退，不象其他充电电池一样，在放电未，电压突然降低。

5、什么是Li-ion电池？

Li-ion是锂电池发展而来。

所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。

举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。

锂电池的正极材料是锂金属，负极是碳。

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。

而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。

回正极的锂离子越多，放电容量越高。

我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。

Li-ion就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。

所以Li-ion又叫摇椅式电池。

6、Li-ion电池有哪几部分组成？

（1）电池上下盖

（2）正极——活性物质为氧化锂钴

（3）隔膜——一种特殊的复合膜

（4）负极——活性物质为碳

（5）有机电解液 

（6）电池壳（分为钢壳和铝壳两种）

7、Li-ion电池有哪些优点？

哪些缺点？

 Li-ion具有以下优点：

1）单体电池的工作电压高达3.6-3.8V：

2）比能量大，目前能达到的实际比能量为100-115Wh/kg和240-253Wh/L（2倍于Nl-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400Wh/L

3）循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次.对于小电流放电的电器,电池的使用期限将倍增电器的竞争力。

4）安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：

Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：

部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。

5）自放电小

室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。

Li-ion也存在着一定的缺点，如：

1）电池成本较高。

主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。

2）不能大电流放电。

由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。

故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。

3）需要保护线路控制。

A、过充保护：

电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电；

B、过放保护：

过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。

8、什么是锂离子制造过程？

1）配料

用专门的溶液和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。

2）涂漠

将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正负极极片。

3）装配

按正极片——隔膜——负极片——隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，在经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池装配过程。

制成成品电池。

4）化成

用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测。

筛选出合格的成品电池，待出厂。

9、锂离子安全特性是如何实现的？

  为了确保Li-ion安全可靠的使用，专家们进行了非常严格、周密的电池安全性能设计，以达到电池安全考核指标。

1）隔膜135℃自动关断保护

采用国际先进的Celgars2300PE-PP-PE三层复合膜。

在电池升温达到120℃的情况下，PE复合膜两侧的膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。

2）向电解液中加入添加剂

在电池过充，电池电压高于4.2V的条件下，电解液添加剂与电解液中其他物质聚合，电池内阻大幅度增加，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。

3）电池盖复合结构

电池盖采用刻痕防爆球结构，电池升温时，电池内部活化过程中所产生的部分气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度刻痕破裂、放气。

4）各种环境滥用测试

进行各项滥用实验，如外部短路、过充、针刺、冲击、焚烧等，考察电池安全性能。

同时对电池进行温度冲击实验和振动、跌落、冲击等力学性能实验，考察电池在实际使用环境焉的性能情况。

9、什么充电限制电压？

额定容量？

额定电压？

终止电压？

A、充电限制电压

按生产厂家规定，电池由恒流充电转入恒压充电时的电压值。

B、额定容量

生产厂家标明的电池容量，指电池在环境温度为20℃±5℃条件下，以5h率放电至终止电压时所应提供的电量，用C5表示，单位为Ah（安培小时）或mAh（毫安小时）。

C、标称电压

用以表示电池电压的近似值。

D、终止电压

规定放电终止时电池的负载电压，其值为n*2.75V（锂离子单体电池的串联只数用“n”表示）。

10、为什么恒压充电电流为逐渐减少？

因为恒流过程终止时，电池内部的电化学极化然保持再整个恒流中相同的水平，恒压过程，再恒定电场作用下，内部Li+的浓差极化在逐渐消除，离子的迁移数和速度表现为电流逐渐减少。

11、什么是电池的容量？

电池的容量有额定容量和实际容量之分。

电池的额定量是指设计与制造电池时规定或保证电池在一定的放电条件下，应该放出最低限度的电量。

Li-ion规定电池在常温、恒流（1C）恒压（4.2V）控制的充电条件下充电3h，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，主要受放电倍率和温度的影响（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=1000mAh）。

12、什么是电池内阻？

是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。

有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。

电池内阻大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。

内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。

是衡量电池性能的一个重要参数。

注：

一般以充电态内阻为标准。

测量电池的内阻需用专用内阻仪测量，而不能用万用表欧姆档测量。

13、什么是开路电压？

是指电池在非工作状态下即电路无电流流过时，电池正负极之间的电势差。

一般情况下，Li-ion充满电后开路电压为4.1-4.2V左右，放电后开压为3.0V左右，通过电池的开路电压，可以判断电池的荷电状态。

14、什么是工作电压？

又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流过时电池正负极之间电势差。

在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电池，充电时则与之相反。

Li-ion的放电工作电压在3.6V左右。

15、什么是放电平台？

放电平台是恒压充到电压为4.2V并且电电流小于0.01C时停充电，然后搁置10分钟，在任何们率的放电电流下下放电至3.6V时的放电时间。

是衡量电池好坏的重要标准。

16、什么是（充放电）倍率？

时率？

是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，它在数据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600mAh为1C（1倍率），300mAh则为0.5C,6A（600mAh）为10C.以此类推。

时率又称小时率,时指电池以一定的电流放完其额定容量所需要的小时数.如电池的额定容量为600mAh,以600mAh的电流放完其额定容量需1小时,故称600mAh的电流为1小时率,以此类推.

17、什么是自放电率？

又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。

主要受电池制造工艺、材料、储存条件等因素影响。

是衡量电池性能的重要参数。

注：

电池100%充电开路搁置后，一定程度的自放电正常现象。

在GB标准规定LI-ion后在20±2℃条件下开条件下开路搁置28天。

可允许电池有容量损失。

18、什么是内压？

指电池的内部气压，是密封电池在充放电过程中产生的气体所致，主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。

其产生原因主要是由于电池内部水分及有机溶液分解产生的气体于电池内聚集所致。

高倍率的连续过充，会导致电池温度升高、内压增大，严重时对电池的性能及外观产生破坏性影响，如漏液、鼓底，电池内阻增大，放电时间及循环寿命变短等。

Li-ion任何形式的过以都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。

帮Li-ion在充电过程中需采用恒流恒压充电方式，避免对电池产生过充。

19、为什么电池要储存一段时间后才能包装出货？

电池的储存性能是衡量电池综合性能稳定程度的一个重要参数。

电池经过一定时间储存后，允许电池的容量及内阻有一定程度的变化。

经过了一段时间的储存，可以让内部各成分的电化学性能稳定下来，可以了解该电池的自放电性能的大小，以便保证电池的品质。

20、为什么要化成？

电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成，电池粉有经过化成后才能体现真实性能。

21、正、负极正烘烤的目的是什么？

除去极片内的水份和有机溶剂。

22、正、负极片压片的目的？

使活性物质与网栅及集流片接触紧密，减小电子的移动距离，降低极片的厚度，增加装填量，提高电池体积的利用率。

从而提高电池的容量。

23、压片厚度对电池性能有什么影响？

压片厚度太厚时，容易使电池内活性物质量减少，单位体积的活性物质量的减少和极化电位的增大，从而造成电池的容量降低。

压片厚度太薄时，容易造成电池内的活性物质量增加，极片表面有效面积减小，从而造成活性材料的浪费和大电流的困难。

24、极片称重的目的是什么？

准确了解和掌握极片的敷料量。

25、配片的目的是什么？

使正负极片上的活性物质的量比例保持一致性。

26、为什么要进行刷片操作？

清除极片上的积尘，积料，毛刺等。

27、正极片采用什么极耳？

采用铝带极耳。

28、负极片采用什么极耳？

采用镍带极耳。

29、焊接极耳的设备？

正极用超声波焊机，负极用点焊机。

30、卷绕车间的湿度对电池质量有什么影响？

卷绕房内的湿度大时，极片吸水量大，增加了极片的水份含量，在电池中产生气体量增加，使电池的内压增加，危害电池的安全性能。

水份的增加多消耗电池中的活物质，使电池容量下降。

湿度小反之，

31、卷绕车间中空调机和除湿系统的作用？

保持室内的温度恒度，减小室内的湿度，以提高电池的性能。

32、卷绕车间是否可用水擦地板？

不可以

33、卷绕电池芯的主要注意事项

1）、极片与隔膜纸铺平对齐。

用手按住极片与隔膜纸时，用力大小适中均匀。

电池芯卷绕松紧适当。

2）、注意极片上有无划痕、掉料、缺料、气孔、起泡等不良及隔膜纸有无不良，如有作废品处理。

3、卷绕时注意手脚的谐调性，不被卷针划伤手。

33、电池芯贴胶纸的目的和位置？

电池芯贴纸的位置在电芯卷绕成型后不变形。

底部贴胶纸防止电芯内的正极片底部与电池外壳接触电池造成短路。

侧面贴纸使电芯卷绕成型后不变形。

底部贴胶纸防止电芯内的正极片底部与电池外壳接触造成电池短路。

34、将极耳焊接到盖板上采用那些设备？

超声波、对焊机。

35、电池芯电阻要求？

大于20MΩ

36、电池芯的电阻达不到要求怎么办？

返修

37、为何极耳也要贴胶纸？

增加牢固性和防止极耳接触产生短路。

38、电池盖板在使用前需要做那些检验？

外形尺寸、形状、厚度、绝缘怀、密封性、耐腐蚀性、材持等项目的检验。

39、电池盖板所能承受的最大压力是多少？

0.4Mpa

40、如何防止电池漏液？

防止电池漏液应做好以下几方面的工作：

1、焊接电池外壳与盖帽时，应焊接牢固、密封，焊接无漏焊、虚焊，焊缝无裂缝、裂口等不良。

2、钢珠封口时，钢珠大小适当，钢珠材质与盖帽材质相同。

焊接无裂口、裂缝并且焊接牢固。

3、盖帽的正极柳接紧密，无间隙，并且绝缘密封垫弹性适当，耐腐蚀，不易老化。

41、如何在现有条件下防止未封口电池在车间吸水？

1、作业电池应少量多次。

缩短电池在空气中暴露时间。

2、作业完毕的电池及时转送到下一工序。

尽量缩短电池在制程中的停滞时间。

42、干燥房的湿度要求？

相对湿度在6%以下。

43、干燥房的湿度对电池的性能有什么影响？

湿度增加使电池芯的吸水量增大，使电池的容量下降，内压增加。

44、如何尽量防止湿气进入干燥房？

少进少出，少开门，干燥房的门不能同时打开。

45、你认为干燥房可以用水擦地板吗？

不可以。

46、电池在注液前需要做那些处理？

涂胶和真空烘烤处理。

47、电池在注液前为何要进行真空烘烤？

尽量除去电芯内的所含的水份和溶剂。

48、电池在注液前为何要称重？

以便准确计算注液量多少。

49、电池注液方法？

用手动注液机或自动注液机进行注液操作。

50、如何检验电池是否注满电解液？

用真空抽吸测试，在注液口上用真空吸时，有电解液被抽上表示已满，没有表示没满。

51、电解液中的LiOF6的作用？

导电的电解质。

52、电解液中的LiPF6的浓度？

1mol/L

53、电解液中溶剂的作用？

溶解电解质，使电解质离子化。

54、电解液的电导率范围？

8×10-3Ω-1

55、电导率对电池工作电流的影响？

电导率影响倍率放电率，和电池的内阻，和电池的电压。

56、电池的内阻受那些因素影响？

电解液的电导率，电池的外壳材料性能，极片的导电率及极耳材料的截面积。

电池焊接的质量。

57、电池的容量受那些因素影响？

正负极材料的特征的性能及材料的种类、型号和活性物质的量。

正负极活性物质的正确比例。

电解液的浓度和种类。

生产制程过程。

58、你认为如何在电池生过程中控制电池内的水份？

在生产制程中严格控制环境的湿度以及加强电芯的烘烤控制电池的水份。

59、电池在带电时可否用表测量电阻？

可以

60、化成机在化成大容量电池时应该注意什么问题？

注意电池的总功率是否超过化成机的功率。

放电深度：

与电池额定容量比较，放电量的比率。

●过充（放）电：

指超过电池规定的充（放）电状态，若继续充（放）电可能造成电池漏液或劣化。

●能量密度：

指单位体积或单位质量所释放的能量，一般用体积能量密度（wh/l）和质量能量密度（wh/kg）表示。

●自放电：

电池充满电之后，在与外电路没有接触和常温放置的条件下，其电容量会自然衰减。

在储存过程中，电池蓄电容量会逐渐下降，其减少的容量与额定容量的比例，称为自放电率。

通常，环境温度对其影响较大，过高温度会加速电池的自放电。

电池容量衰减（自放电率）的表达方法为：

%/月。

镍镉、镍氢电池的自放电率为20-25%/月，锂电池的自放电率为2-5%/月。

61、锂离子安全性能考核项目有哪些？

对于锂离子电池安全性能的考核项目，国内外相关标准上有明确规定:

（1）短路

（2）过充电

（3）加热

（4）振动

（5）重物冲击

（6）挤压

（7）跌落

（8）过放电

（9）冲击

对于动力电池，还有浸水、针刺、火烧等要求。

二、超级电容器基本知识

超级电容器是一种新型电容器，又叫作双电层电容器、法拉电容、黄金电容，在储能过程中不发生化学反应，它具有普通电容器的一些特性，但又区别于普通电容器（区别将在下文介绍）。

超级电容器的容量产生是靠离子导电形成的双电荷层实现的，在很小的体积下达到法拉级的容量；与电池相比，无须特别的充电电路和控制放电电路和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在象电池接触不牢固等问题；内阻较小，寿命长，充放电大于10万次，功率密度（PowerDensity）是锂离子电池的数十倍以上。

1、特点

超级电容器与二次电池及普通电解电容器对比 。

λ超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。

有时将两者结合起来（并联使用），将电容器的功率特性（大电流放电）和电池的高能量存储结合起来，是现在普遍采取的方法。

 λ超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出（放电至0V）。

而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围（U~1/2U），如果过放可能造成永久性破坏。

 λ超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。

在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。

 λ超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果电池反复传输高功率脉冲会影响使用寿命。

λ超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。

超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环。

2、基本指标

●ESR（等效串联电阻）

ESR为电容器的等效串联电阻，单位欧姆，对于实际电容器来说，都存在一定的内阻，及电容器模型应为理想电容器与电阻（ESR）串联：

超级电容器的ESR比普通电容器大，比电池内阻要小。

随着电容器的使用内阻有一定的增大，质量好的电容器增大比率会很小，具体要求根据国家标准。

●漏电流

漏电流用来衡量产品的绝缘特性，超级电容器作为储能装置，理想电容在充满电后自然放置，即无漏电流的情况下，应永远保持满电状态，但实际电容器在制作过程中都会产生一定的漏电流。

漏电流的大小决定自放电特性的好坏，这就好比一个水桶的密封性一样。

3、应用领域

（1）快速充电应用，几秒钟充电，几分钟放电。

例如电动工具、电动玩具；

（2）在UPS系统中，超级电容器提供瞬时功率输出，作为发动机或其它不间断系统的备用电源的补充；

（3）应用于能量充足，功率匮乏的能源，如太阳能；

（4）当公共汽车从一种动力源切换到另一动力源时的功率支持；

（5）小电流，长时间持续放电，例如计算机存储器后备电源；