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锂离子电池TheMagicBatteries 工作原理主要结构电池种类主要优点应用前景未来研究方向 目录 工作原理 锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称 以碳素材料为负极 含锂的化合物为正极 锂离子电池的充放电过程 就是锂离子的嵌入和脱嵌过程 正极反应 LiCoO2 Li1 xCoO2 xLi xe 负极反应 6C xLi xe LixC6总反应 6C LiCoO2 Li1 xCoO2 LixC6 以LiCoO2为正极材料的锂离子电池 主要结构 正极材料 锂化合物LiXCoO2 LiXNiO2 LiFePO4或LiXMnO2负极材料 锂 碳层间化合物LiXC6电解质溶液 溶解有锂盐LiPF6 LiAsF6等有机溶液SEI膜 只允许锂离子通过 其它溶剂分子不能通过 正极材料的要求 1 具有较高的氧化还原电位 使电池输出电压高2 可利用活性物质高 容量高3 充放电过程中 结构稳定4 氧化还原电位变化小5 化学稳定性好 与电解质反应小6 较高的电子和离子导电率 大电流充放电性能好7 价格便宜 对环境无污染 几种正极材料应用优劣势比较 目前 磷酸铁锂材料最适合制作大型动力电池 已成为世界各国竞相研究和开发的重要方向 负极材料 大多数锂离子电池均采用碳材料作为负极 除碳负极材料外 还有锡基负极材料 含锂过渡金属氮化物负极材料 是合金类负极材料 纳米级负极材料等 负极材料的要求 较低的氧化还原电位 使电池输出电压高嵌锂量大 容量高充放电过程中 结构稳定充放电过程中 氧化还原电位变化小稳定性好 与电解质反应小良好的表面结构 形成良好的SEI膜较高的电子和离子导电率 大电流充放电性能好8 价格便宜 对环境无污染 常见负极材料 比容量 电极电动势 金属锂负极 由于锂在溶解沉积的过程中生成枝晶 导致电极的表面积不断增大 新增加的表面由于生成SEI膜导致与集体的接触不良 因此锂的溶解沉积效率较低 充电前充电后 碳负极材料 碳材料是目前最为理想的锂离子电池负极材料 嵌锂碳材料可用LixC6表示 当X 1时达到最高的理论嵌锂量 理论比容量为372mAh g 石墨和中间相碳微球 MCMB 是实际应用最广泛的两类碳材料 石墨碳微球 电解液 有机溶剂 乙烯碳酸酯 EC 丙烯碳酸酯 PC 碳酸二甲酯 DMC 碳酸二乙酯 DEC 电解质 锂盐 LiPF6常用LiClO4不安全LiAsF6有毒LiBF4电导率低 SEI膜 在锂离子电池首次充放电过程中 电极材料会与电解液发生反应 在电极材料表面形成一层钝化膜 称为固体电解质界面膜 solidelectrolyteinterface 简称SEI膜 电池种类 1 锂 二氧化锰电池 Li MnO2 以锂为阳极 负极 以二氧化锰为阴极 正极 采用有机电解液的一次性电池 2 锂 亚硫酰氯电池 Li SOCl2 比能量是所有商业化电池中最高的 放电电压特别平稳 3 锂离子电池 Li ion 可充电锂离子电池是目前手机 笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池 但不可过充 过放 会损坏电池或使之报废 因此 在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏 新型锂离子电池 主要优点 1 电压高单体电池的工作电压高达3 7 3 8V2 比能量大目前能达到的实际比能量为555Wh kg左右3 循环寿命长一般均可达到500次以上 甚至1000次以上 同质量的铅酸电池是 新半年 旧半年 维护维护又半年 最多也就1 1 5年时间 性能价格比将为铅酸电池的5倍以上 4 安全性能好无公害 绿色环保 5 自放电小室温下充满电的Li ion储存1个月的自放电率为2 左右 6 可快速充放电7 工作温度范围高工作温度为 25 45 C8 无记忆效应可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作 容量会迅速低于额定容量值 这种现象叫做记忆效应 而锂离子电池无论处于什么状态 可随充随用 无须先放完再充电 新发展 根据锂离子电池所用电解质材料不同 锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两大类 聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子是相同的 工作原理也基本一致 它们的主要区别在于电解质的不同 液态锂离子电池使用的是液体电解质 而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替 这种聚合物可以是 干态 的 也可以是 胶态 的 目前大部分采用聚合物胶体电解质 聚合物锂离子电池 1 固体聚合物电解质锂离子电池 2 凝胶聚合物电解质锂离子电池 3 聚合物正极材料的锂离子电池由于用固体电解质代替了液体电解质 与液态锂离子电池相比 聚合物锂离子电池具有可薄形化 任意面积化与任意形状化等优点 也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题 因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳 从而可以提高整个电池的比容量 聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料 其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50 以上 动力锂离子电池严格来说 动力锂离子电池是指容量在3Ah以上的锂离子电池 目前则泛指能够通过放电给设备 器械 模型 车辆等驱动的锂离子电池 动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型 高容量电池可用于电动工具 自行车 滑板车 矿灯 医疗器械等 高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合 根据内部材料的不同 动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物锂离子动力电池两种 统称为动力锂离子电池 高性能锂离子电池为了突破传统锂电池的储电瓶颈 研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料很有必要 但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定 在电池多次充放电后储电能力明显下降 为此 一种新的合成方法应运而生 用几种原始材料与一种锂盐混合并加热 生成一种带有含碳纳米管的全新纳