[资料文档]第七章

第7章锂离子动力电池,7.1概述7.2锂离子动力电池的工作原理7.3正极材料7.4负极材料7.5锂离子电池的失效机理7.6锂离子动力电池的性能7.7锂离子动力电池的应用,7.1概述,据统计，到2008年，国际锂离子电池产量已经达到16亿只，从图7-1中可以看到锂离子电池逐年增长的幅度。,7.2锂离子动力电池的工作原理,图7-2是钴酸锂锂离子电池工作原理图，其他类型锂离子电池与此类似。,7.3正极材料-层状混合物,层状正极材料中研究比较成熟的是钴酸锂（LiCoO2）和镍酸锂（LiNiO2）。层状LiNiO2的结构示意图如图7-3所示。,7.3正极材料-尖晶石型结构,图7-4是尖晶石型LiMn2O4的结构示意图,7.3正极材料-尖晶石型结构,目前，锰酸锂锂离子电池已经大量应用在示范运营的电动汽车上。2008年北京奥运期间运行的纯电动客车、2010年上海世博会的部分电动客车就采用了单体90Ah的锰酸锂锂离子电池。日产公司推出的Leaf纯电动汽车、三菱公司推出的iMiEV纯电动汽车（见图7-5）也均采用了该类型锂离子动力电池。,7.3正极材料-橄榄石型结构,LiFePO4在自然界以磷铁锂矿的形式存在，属于橄榄石型结构（其结构见图7-6）。,7.3正极材料-锂离子电池正极材料的纳米化,正极材料的纳米化可改善锂离子电池的电化学性能，尤其是快速充放电性能，是锂离子电池正极材料的重要发展方向之一。人们用各种方法，制备了多种形态的纳米正极材料，如多孔结构的LiCoO2纳米花球、LiNiO2纳米球、LiMn2O4纳米颗粒组成的薄膜和LiFePO4纳米多面体等。,7.3正极材料-锂离子电池正极材料的纳米化,正极材料的纳米化可改善锂离子电池的电化学性能，尤其是快速充放电性能，是锂离子电池正极材料的重要发展方向之一。人们用各种方法，制备了多种形态的纳米正极材料，如多孔结构的LiCoO2纳米花球、LiNiO2纳米球、LiMn2O4纳米颗粒组成的薄膜和LiFePO4纳米多面体等。,7.4负极材料,负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一。比容量高、容量衰减率小、安全性能好是对负极材料的基本要求。目前，应用的负极材料如图7-7所示。,7.4负极材料-碳材料,碳材料是目前商品化的锂离子电池应用最为广泛的负极材料。碳负极材料包括石墨、无定型炭，其中石墨又分为天然石墨、人造石墨和石墨化炭；无定型碳分为硬炭和软炭。石墨是锂离子电池碳材料中应用最早、研究最多的一种，其具有完整的层状晶体结构，石墨晶体的片层结构中碳原子許P2杂化方式结合成六角网状平面，理想石墨的层间距为03354nm，层与层之间以范德华力结合。石墨的层状结构，有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂石墨层间化合物，其理论最大放电容量为372mAh/g，充放电效率通常在90%以上。锂在石墨中的脱/嵌反应主要发生在0025V之间(相对于Li/Li+)，具有良好的充放电电压平台，与提供锂源的正极材料匹配性较好，所组成的电池平均输出电压高，是一种性能较好的锂离子电池负极材料。,7.4负极材料-氧化物负极材料,氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系，包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其他氧化物。前两者虽具有较高理论比容量，但因从氧化物中置换金属单质消耗了大量锂而导致巨大容量损失，抵消了高容量的优点；LixMoO2、LixWO2等氧化物负极材料具有较好的循环性能，但由于其比容量低，目前为止并没有获得广泛深入的研究。Li4Ti5O12具有尖晶石结构，充放电曲线平坦，放电容量为150mAh/g，具有非常好的耐过充、过放特征，充放电过程中晶体结构几乎无变化(零应变材料)，循环寿命长，充放电效率近100%。目前在储能型锂离子电池中有所应用。,7.4负极材料-金属及合金类负极材料,金属锂是最先采用的负极材料，理论比容量为3860mAh/g，原子量为694，电化学还原电位-3045V。20世纪70年代中期，金属锂在商业化电池中得到应用。但因充电时，负极表面会形成枝晶，导致电池短路，于是人们开始寻找一种能替代金属锂的负极材料。合金负极材料是研究得较多男滦透杭牧咸逑担泄仫辖鸬难芯抗髯钤缡加?958年。,7.5锂离子电池的失效机理,造成锂离子电池容量衰退的原因主要有：1）正极材料的溶解。2）正极材料的相变化。3）电解液的分解。4）过充电造成的容量损失。5）自放电。6）界面膜（SEI）的形成。7）集流体。,7.6锂离子动力电池的性能-充放电特性,锂离子电池基本充放电电压曲线如图7-8所示。对于不同的锂离子电池，区别主要有两点：第一阶段恒流值，根据电池正极材料和制造工艺不同，最佳值存在一定的差别。,7.6锂离子动力电池的性能-充放电特性,图7-9锂离子电池充电曲线,7.6锂离子动力电池的性能-充放电特性,在恒温环境温度20，对额定容量100Ah锂离子电池在不同SOC，以03C恒流限压进行充电。充电曲线如图710所示。在图7-10中，曲线从左到右放电容量依次增加。,7.6锂离子动力电池的性能-充放电特性,在放电特性方面，主要讨论不同环境温度下，不同放电率对锂离子电池放电特性的影响。仍以某额定容量200Ah锂离子电池为例，在环境温度20情况下，将电池充满电，分别在20，0，20进行不同放电电流下的放电试验，放电过程的曲线如图7-11所示。,7.6锂离子动力电池的性能-充放电特性,在不同温度下，每放电20Ah放出的能量对比，如图7-12所示。,7.6锂离子动力电池的性能-安全性,锂离子电池在热冲击、过充、过放和短路等滥用情况下，其内部的活性物质及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使得电池内部压力升高，积累到一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。,7.6锂离子动力电池的性能-热特性,图7-13不同放电倍率正极柱处的温升曲线,7.6锂离子动力电池的性能-热特性,图7-1550时HPPC测试LiFePO4电池电压电流变化曲线,7.6锂离子动力电池的性能-热特性,图7-16不同温度和SOC下的放电内阻图,7.6锂离子动力电池的性能-热特性,图7-17不同温度和SOC下的充电内阻图,7.7锂离子动力电池的