锂电池研发技术培训课件

锂电池研发技术培训课件第一章锂电池基础知识概述锂电池的定义与分类锂离子电池与锂金属电池主流锂电池类型锂离子电池采用嵌入式化合物作为电极磷酸铁锂（LFP）安全性高、循环寿命材料，锂离子在正负极之间往返嵌入和长、成本低廉，广泛应用于储能和商用脱嵌，具有高能量密度和长循环寿命车领域锂金属电池则直接使用金属锂作为负三元锂电池（NCM/NCA）能量密度极，理论能量密度更高，但安全性挑战高、续航里程长，是乘用车动力电池的较大首选目前商业化应用主要以锂离子电池为主，而锂金属电池仍处于研发阶段，被视为下一代电池技术的重要方向锂电池的工作原理正负极电化学反应离子迁移与电子流动充放电循环机制充电时，正极材料中的锂离子脱出，负极材料锂离子在电解液中从一个电极迁移到另一个电充放电过程可逆进行，形成循环理想状态下接收锂离子并发生还原反应放电时过程相极，同时电子通过外部电路流动形成电流离锂离子完全嵌入和脱出，但实际使用中会有不反，正极接收锂离子发生还原，负极失去锂离子和电子的协同移动实现了电能的储存和释可逆容量损失，影响电池寿命子被氧化放摇椅式工作机制锂离子像摇椅一样在正负极之间来回移动，实现能量转换锂电池内部结构正极材料提供锂离子的来源，决定电池的工作电压和能量密度负极材料接收并储存锂离子，影响电池容量和循环性能电解液提供离子传输通道，保证电化学反应顺利进行隔膜锂电池关键性能指标300300095%能量密度循环寿命充放电效率Wh/kg，衡量单位质量电池储存的能量，直接影充放电次数，表征电池的使用寿命和经济性能量转换效率，影响实际可用容量和能量损耗响续航里程安全性与热稳定性自放电率热失控温度、针刺测试、过充保护等指标评估电池在极端条件下的安全表现高安全性是锂电池商业化应用的首要前提第二章锂电池材料技术正极材料对比磷酸铁锂三元锂电池VS磷酸铁锂（）三元锂电池（）LFP NCM/NCA高安全性热稳定性优异，不易发生热失控高能量密度可达250-300Wh/kg耐高温可在-20℃至60℃范围内稳定工作低温性能优越在低温环境下容量保持率高循环寿命长可达3000-5000次充放电循环续航里程长适合对续航要求高的应用场景成本低原材料丰富，不含贵金属钴成本较高含贵金属钴，价格波动较大比亚迪刀片电池技术突破负极材料与电解液石墨负极的优势与限制新型硅基负极材料石墨负极具有良好的循环稳定性、低成本和成熟的工艺技术，是目前商硅负极理论容量高达4200mAh/g，是石墨的10倍以上，被视为下一代业化锂电池的主流选择理论容量为372mAh/g，实际应用中可达到高能量密度电池的关键材料350mAh/g以上研发进展通过纳米化、多孔结构设计和碳包覆技术，有效缓解硅材料主要限制理论容量相对较低，难以满足更高能量密度需求；低温下锂充放电过程中的体积膨胀问题（可达300%），首次效率已提升至90%以离子扩散速度慢，影响充放电性能上电解液配方优化功能性添加剂性能影响有机溶剂（EC、DMC、EMC等）配比直接成膜添加剂（如VC、FEC）可形成稳定SEI电解液配方优化可使电池低温放电容量提升影响离子电导率和电化学窗口典型配方需膜，提高循环寿命；阻燃添加剂提升安全15-20%，循环寿命延长30%以上，同时改在导电性、粘度和稳定性之间找到最佳平衡性；过充保护添加剂在异常情况下自动关断善安全性能和倍率特性点电流隔膜技术与安全防护010203隔膜材料种类性能要求热熔断隔膜技术聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）单层隔膜和厚度均匀性（±1μm）、孔隙率（40-50%）、孔当电池温度升高到130-140℃时，PE层熔化闭PE/PP/PE三层复合隔膜复合隔膜兼具低温闭径分布（

0.03-

0.1μm）、机械强度（纵向100孔，阻断离子传输，防止热失控进一步扩大这孔（PE）和高温耐热（PP）特性，安全性能更MPa）和化学稳定性等多项指标需严格控制一被动安全机制是锂电池重要的安全保障优0405智能隔膜技术防火阻燃应用在隔膜表面涂覆陶瓷或芳纶纳米纤维，提高耐热温度至200℃以上功能添加阻燃剂或采用本征阻燃聚合物材料，即使在极端条件下也能有效抑制化涂层还可改善电解液浸润性，降低内阻，提升倍率性能燃烧配合阻燃电解液，构建多重安全防护体系第三章锂电池设计与制造工艺从电池单体设计到PACK集成，从热管理到自动化制造，本章将系统介绍锂电池的工程设计原则和先进制造工艺，助您掌握从实验室到产业化的关键技术电池单体设计原则电芯形状选择电极厚度优化比容量设计圆柱电池工艺成熟、成本低、散热好，适合标准化大规模生产特斯拉21700圆柱电极厚度直接影响能量密度和倍率性能增加厚度可提高能量密度，但会增大内阻，正负极容量比（N/P比）通常设计在

1.05-

1.15之间，保证负极过量，避免析锂风险电池是典型代表降低功率性能方形电池空间利用率高、易于PACK集成，国内主流车企普遍采用典型正极涂布厚度为80-120μm，负极为100-150μm需根据应用场景在能量型和功同时需考虑首次效率损失，预留足够容量余量，确保电池实际可用容量达到设计值率型之间权衡软包电池重量轻、设计灵活、安全性好，但对制造工艺要求更高涂布1将正负极浆料均匀涂布在集流体上2烘干去除溶剂，形成电极极片辊压3压实电极，提高能量密度4分切裁切成所需尺寸卷绕/叠片5制成电芯结构6注液封装注入电解液并密封化成老化7激活电池性能电池组技术PACK模块化设计热管理系统机械结构设计将单体电池串并联组合成通过液冷板、风道或相变箱体采用高强度铝合金或标准化模组，再集成为电材料，将电池工作温度控复合材料，满足碰撞安全池包模块化设计便于维制在最佳范围（20-要求内部设置缓冲材料护更换，提高系统可靠35℃），保证性能和寿和约束机构，防止振动损性命伤典型模组包含12-24个电温度均匀性要求模组内防护等级达到IP67，确保芯，电压范围40-100V，温差5℃，单体间温差防水防尘性能容量50-100Ah3℃典型自动化生产线PACK现代化PACK产线集成AGV物流、机器人搬运、自动焊接、视觉检测等技术，实现从电芯上料到成品下线的全流程自动化单条产线年产能可达5-10GWh，人员需求减少60%以上，产品一致性和质量稳定性显著提升热管理系统设计液冷系统风冷系统通过冷却液循环带走热量，换热效率高，温控精度好冷却液在冷却板内利用空气流动带走热量，结构简单，成本低通过优化风道设计和风机布流动，与电芯紧密接触，可将温差控制在2℃以内置，确保气流均匀分布优势适合高功率场景，温控精准，支持快充挑战系统复杂，成本较优势结构简单，维护方便，可靠性高局限换热效率较低，温差较高，需防漏液风险大，不适合高功率应用热均衡技术温度监控通过智能调节各区域散热强度，消除温度梯度采用分区控制、变频在关键位置布置NTC温度传感器，实时监测电池温度BMS根据温风机或多路冷却液分配，实现精准热管理先进系统可将整包温差控度数据动态调节充放电功率和冷却系统运行状态，防止过热或过冷制在3℃以内特斯拉液冷系统案例特斯拉Model3采用蛇形管液冷系统，冷却管蜿蜒穿过电池模组底部，与每个圆柱电芯接触配合50:50的水乙二醇冷却液和高效热泵系统，实现了优异的温控性能即使在极限工况下（快充或高速行驶），电池温度也能稳定在30℃左右，保证了性能和寿命这一创新设计成为行业标杆第四章锂电池管理系统（）BMSBMS是锂电池的大脑，负责监测状态、控制充放电、保障安全本章将深入讲解BMS的硬件架构、软件算法和关键功能，帮助您设计出高性能的电池管理系统的核心功能与架构BMS状态监测充放电控制SOC（荷电状态）表示电池剩余电量百分根据电池状态动态调节充放电电流和功率，防比，精度要求±3%以内止过充过放SOH（健康状态）评估电池老化程度，预测实施均衡管理，消除单体电池间的差异，提高剩余寿命系统容量利用率实时采集电压、电流、温度等参数，计算内支持多种充电模式恒流恒压、脉冲充电、快阻、容量等状态量充协议故障诊断安全保护实时识别电池系统异常内部短路、微短路、过压、欠压、过流、过温保护，在异常情况下热失控预警立即断开回路评估单体电池一致性，识别性能衰减严重的个短路检测、绝缘监测、烟雾报警等多重安全机体制基于历史数据和AI算法，预测潜在故障，实现记录故障日志，支持故障追溯和分析预防性维护BMS采用分布式或集中式架构分布式架构将采集模块分散到各个电池模组，通过CAN总线与主控单元通信；集中式架构所有功能集成在一块主板上分布式架构更适合大容量电池包，集中式架构成本更低硬件设计要点BMS010203传感器选型传感器布置通信协议电压采集采用高精度AFE芯片（如LTC

6811、每个单体电池配备电压采集点，温度传感器按3-内部通信CAN总线连接各采集板，波特率MAX17853），分辨率≤1mV，精度±2mV5个电芯布置一个电流传感器安装在主回路500kbps-1Mbps上，绝缘传感器连接到电池包外壳电流测量霍尔传感器或分流器，精度±

0.5%，外部通信CAN或RS485与整车通信，支持充电响应时间10ms协议（GB/T、CCS等）温度监测NTC热敏电阻，精度±1℃，布置在模组关键位置0405数据采集设计与PCB EMC电压采集频率≥10Hz，电流和温度≥1Hz采用硬件滤波和软件算法去除噪采用4-6层板，关键信号走差分线，电源和地平面完整模拟和数字电路分声，保证数据准确性支持主动均衡时采样间隔可缩短至100ms区布局，减少干扰EMC防护TVS管保护、共模电感滤波、屏蔽设计，通过ISO

7637、ISO11452等标准软件设计与算法BMS估算方法温度补偿与寿命预测SOC库仑计数法温度补偿通过对充放电电流积分计算电量变化简单直接，但累积误差随时间增电池容量和内阻随温度变化显著通过温度补偿算法，修正不同温度下大，需定期校准的SOC和功率估计，提高精度寿命预测SOC=SOC₀+∫I/Qdt卡尔曼滤波法基于循环次数、放电深度、工作温度等因素，利用加权安时累积法或机器学习模型，预测电池SOH和剩余寿命（RUL）建立电池等效电路模型，结合库仑计数和开路电压，通过卡尔曼滤波融合多源信息，动态修正SOC精度可达±2%，自适应能力强实时任务调度故障处理机制采用RTOS（如FreeRTOS）实现多任务调度高优先级任务处理安全建立三级故障响应机制一级故障（如过温）立即断开继电器；二级保护和紧急事件（10ms响应），中优先级任务执行状态计算和通信故障（如单体过压）限制功率运行；三级故障（如通信丢失）记录报（100ms周期），低优先级任务负责数据记录和诊断警继续工作所有故障信息存储在非易失存储器中，支持离线分析系统架构BMS通信层CAN总线与对外接口通信控制层主控MCU、AFE芯片、均衡电路传感器层电压、电流、温度采集第五章锂电池性能测试与安全认证严格的测试和认证是确保锂电池质量和安全的关键环节本章将介绍性能测试项目、安全测试标准以及国内外认证要求，帮助您建立完善的质量保证体系性能测试项目容量测试倍率性能测试循环寿命测试在标准条件下（25℃，

0.5C充放电）测量电在不同倍率下（

0.5C、1C、2C、3C）充放在规定条件下反复充放电，直至容量衰减到池实际容量，验证是否达到设计值电，评估快充能力和功率特性80%，记录循环次数测试流程满充→静置→恒流放电至截止电压测试电池在高倍率下的容量保持率、温升和压标准循环1C充放电，100%DOD，25℃环→计算放电容量降功率型电池要求3C放电容量≥80%额定容境量合格标准实际容量≥额定容量的95%寿命要求动力电池≥1000次，储能电池≥5000次123高温性能（60℃）低温性能（-20℃）温度冲击测试测试高温环境下容量保持率、自放电率和循测试低温放电容量、内阻增加和充电接受能在-40℃至85℃之间快速切换，每个温度保持环寿命评估电池在高温地区或夏季使用的力寒冷地区应用的电池要求-20℃放电容量30分钟，循环5次考察电池应对极端温变的适应性≥60%常温容量能力安全测试与标准电气安全测试机械安全测试过充测试挤压测试以1C电流充电至电压达到额定值的

1.5倍，持续至试验结束在两块平板间施加13kN压力或压到原厚度的85%，保持10分要求不起火、不爆炸钟过放测试针刺测试以1C电流放电至0V，观察90分钟要求不起火、不爆炸用Φ5-8mm钢针以25mm/s速度贯穿电池中心，停留10分钟最严格要求不起火、不爆炸短路测试跌落测试外部短路电阻5mΩ，持续10分钟内部短路通过植入镍颗粒模拟从

1.5-2m高度自由跌落到水泥地面，每个方向跌落1次，共6次国标GB38031中国电动汽车用动力蓄电池安全要求，涵盖单体、模块和系统级测试UL2580美国电动汽车电池系统安全标准，侧重电气和化学危害评估IEC62619国际工业应用二次锂电池安全标准，欧洲市场准入要求UN

38.3联合国危险货物运输测试标准，锂电池航空运输必须通过第六章锂电池行业最新技术趋势锂电池技术正在经历快速演进从固态电池到钠离子电池，从AI赋能到绿色回收，本章将带您了解行业前沿动态和未来发展方向新型电池技术前沿固态电池研发进展钠离子电池与锌离子电池高镍三元与无钴电池用固态电解质替代液态电解液，从根本上解决安钠离子电池原材料丰富、成本低廉，低温性能高镍化镍含量从80%提升至90%甚至更高，能全问题能量密度可达400-500Wh/kg，是当前优异（-40℃容量保持率85%）宁德时代第一量密度提升至300Wh/kg以上通过掺杂、包覆液态电池的

1.5-2倍代钠离子电池能量密度达160Wh/kg，适合储能和电解液优化提高稳定性和低端动力市场技术路线氧化物、硫化物、聚合物三大体系并无钴化采用镍锰二元体系或磷酸锰铁锂材料，行丰田、宁德时代等企业已发布固态电池量产锌离子电池使用水系电解液，本质安全，资源彻底摆脱对钴的依赖，大幅降低成本特斯拉、计划，预计2025-2027年实现商业化丰富循环寿命达8000次以上，是储能领域的比亚迪等企业积极布局无钴技术路线重要补充技术挑战界面阻抗高、制造工艺复杂、成本较高与数字化赋能锂电研发AI辅助材料筛选智能制造与质量控制大数据驱动寿命管理AI利用机器学习和高通量计算，在海量候选材料在生产过程中部署机器视觉、IoT传感器和边收集海量电池运行数据，建立数字孪生模型中快速筛选出高性能配方AI可预测材料的电缘计算，实时监测关键参数AI算法自动识别AI算法分析充放电曲线、温度变化、内阻演化学性能、稳定性和安全性，将研发周期从数缺陷，预测设备故障，优化工艺参数变，精准预测电池健康状态和剩余寿命年缩短至数月宁德时代灯塔工厂实现全流程数字化，良品特斯拉通过OTA更新BMS算法，优化充电策DeepMind、清华大学等机构已用AI发现多率提升至

99.8%，人力成本降低50%略，将电池寿命延长15-20%种新型电池材料，准确率达90%以上绿色回收与循环利用锂电池回收技术现状资源再利用与环保政策机械拆解法梯次利用破碎、分选、筛分，回收铜铝等金属简单高效，但有价金属回收率较低退役动力电池容量仍有70-80%，可用于储能、低速车等场景，延长使用寿命5-（70%）8年湿法冶金政策推动酸碱浸出+萃取提纯，回收锂、钴、镍等有价金属回收率可达95%以上，但《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》要求生产者承担回收责任，耗能高、污染大建立溯源管理体系欧盟《电池法规》要求2030年回收率达到90%火法冶金高温熔炼回收金属合金工艺简单但能耗极高，锂难以回收亿纬锂能全球回收网络案例亿纬锂能在中国、欧洲、北美建立了完善的电池回收网络，覆盖收集、运输、检测、拆解、再生全链条通过创新的梯次利用技术，将退役动力电池改造为储能系统，已在全球部署超过2GWh同时，自主研发的绿色回收工艺，将锂回收率提升至95%，碳排放降低60%，真正实现了电池全生命周期的绿色循环第七章行业应用与案例分享从新能源汽车到储能系统，从消费电子到工业应用，锂电池正在改变世界本章将通过典型案例，展示锂电池技术在不同领域的创新应用新能源汽车动力电池应用特斯拉21700电池技术优势特斯拉与松下联合开发的21700圆柱电池（直径21mm，高度70mm），是对18650电池的全面升级单体容量提升50%至5Ah，能量密度达到300Wh/kg核心优势•更大的单体容量减少电池包零件数量，降低系统成本15%•优化的电芯设计提升散热性能，支持4C快充•标准化生产工艺成熟，良品率达

99.9%•Model3电池包能量密度突破170Wh/kg，续航里程超过600公里比亚迪刀片电池市场表现刀片电池通过结构创新，将电芯变为结构件，实现了电芯-电池包的简化设计，空间利用率提升50%市场成果搭载刀片电池的汉EV上市首年销量超12万辆，成为中国豪华轿车市场黑马针刺测试视频在全网播放超亿次，树立了安全标杆形象2023年装机量突破20GWh，并向腾势、长安等品牌外供宁德时代双路线战略宁德时代同时推进三元锂和磷酸铁锂两条技术路线，针对不同市场需求提供定制化解决方案三元路线主攻高端市场，为宝马、奔驰等豪华品牌提供高能量密度电池（280Wh/kg）磷酸铁锂路线通过CTP（Cell toPack）技术提升系统能量密度，成本降低30%，占领中端市场2023年全球市占率37%，连续7年位居世界第一，验证了双路线策略的成功储能系统与消费电子应用海辰储能千安时电池1海辰储能推出全球首款300Ah以上大容量磷酸铁锂储能电池，单体容量达314Ah，能量密度175Wh/kg技术特点大电芯减少系统零件数量60%，提高集成效率；循环寿命超过12000次，25年日历寿命；成本降低20%，度电成本突破

0.08元已在国内外多个GWh级储能项目中应用电动工具BMS应用电动工具要求电池体积小、功率大、响应快智能BMS实现•5C大电流放电支持，满足冲击钻、电锤等工具需求2•精准SOC显示，剩余使用时间预测误差5%•多重安全保护，过热自动降功率，避免工具损坏•支持快充协议，30分钟充至80%博世、得伟等国际品牌广泛采用智能BMS，提升产品竞争力智能设备应用在无人机、机器人、AGV等智能设备中，BMS不仅管理电池，还与整机控制系统深度融合•根据负载动态调节输出功率，优化续航时间3•与飞控/运动控制器通信，实现能量预警和安全返航•支持集群充电管理，多台设备自动排队充电大疆无人机、AGV机器人等产品搭载智能BMS，显著提升用户体验典型客户与合作伙伴我们与全球领先企业建立了深度合作关系整车企业包括特斯拉、比亚迪、蔚来、理想等；储能企业包括阳光电源、华为数字能源、比亚迪储能等；消费电子包括苹果、三星、小米、OPPO等通过技术共研和联合创新，共同推动锂电池技术进步，为全球客户提供安全、高效、可靠的能源解决方案结语锂电池研发的未来展望安全与性能平衡技术融合创新在追求更高能量密度的同时，安全性始终是第一要务通过材料改性、结构创新、智能管理，实固态电池、钠离子电池、锂金属电池等多种技术现性能与安全的动态平衡路线并行发展，相互借鉴、融合创新，共同推动电池性能突破数字化智能化AI、大数据、物联网与电池技术深度融合，实现材料设计、制造、使用、回收全生命周期的智能化管理人才培养绿色可持续培养掌握材料、电化学、电子、机械、软件等跨学科知识的复合型人才，为行业持续发展提供智建立完善的回收利用体系，提高资源循环效率，力支撑降低环境影响，推动锂电池产业向绿色低碳转型能源革命的核心是技术创新，而技术创新的关键在人才让我们携手共进，在锂电池研发的道路上不断探索，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系贡献力量，共创绿色能源的美好未来！。