当代能源化学-锂离子电池

,当代能源化学,当代能源化学,当代能源化学,锂离子电池及其关键材料,5,当代能源化学绪论,锂离子电池及其关键材料,正极材料的研究进展负极材料的研究进展,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,从锂电池到锂离子电池,锂离子电池的原理和结构,绪论,锂离子电池的组装测试,锂离子电池的应用领域,锂离子电池及其关键材料当代能源化学,笔记本电脑用锂离子电池,手机用锂离子电池,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,大容量锂离子蓄电池单体产品,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,为什么叫“锂离子”电池？有哪些应用领域？,怎样组装锂离子电池？该关注哪些性能指标？,有哪些正负极材料，优缺点？,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,Fromlithiumto“lithiumion”,alongstory,锂离子电池(Li-ionBatteries,LIBs)由锂电池(LiBatteries,LBs)发展而来,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂一次电池,研究起源于20世纪50年代20世纪60年代爆发石油危机，锂电池成为替代能源之一摩尔质量(6.94g/mol)标准电极电势(-3.04Vvs.NHE)20世纪70年代实现商品化1973年,Li-CFx锂一次电池在Panasonic公司实现量产,首次装置在渔船1978年,Li-MnO2锂一次电池在Sanyo公司实现量产获得巨大成功,产,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂二次电池,20世纪80年代末以前，主要关注以锂及其合金为负极的锂二次电池体系1972年,Dr.Whittingham和Exxon公司合作设计了Li-TiS2锂二次电池，但未能实现商品化20世纪80年代末，加拿大Moli能源公司推出商品化Li-MoS2锂二次电池1989年，Li-MoS2锂二次电池发生起火爆炸事故，导致锂二次电池逐渐退出应用,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂二次电池,寿命短、安全性能差锂枝晶的生成是“罪魁祸首”,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂离子电池,摇椅式电池：20世纪80年代初，M.Armand教授首次提出用嵌锂化合物代替锂二次电池中金属锂负极的构想,M.Armand,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂离子电池,嵌锂化合物代替锂二次电池中的锂负极，电池的安全性大为改善，并且具有良好的循环寿命从概念到现实“一等又是十年”1990年，Sony公司研制出以石油焦为负极、LiCoO2为正极的锂离子电池，并于1991年开始产业化生产,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,从锂电池到锂离子电池,锂离子电池的原理和结构,绪论,锂离子电池的组装测试,锂离子电池的应用领域,锂离子电池及其关键材料当代能源化学锂离子电池的主要组成部分,正极材料,负极材料,隔膜,电解液,外壳,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂离子电池结构示意图正极LiCoO2Li1-xCoO2+xLi+xe-负极6C+xLi+xe-LixC6电池6C+LiCoO2LixC6+Li1-xCoO2,锂离子电池及其关键材料当代能源化学,圆柱形,方形,纽扣式Armand,M.etal.Nature2001,414,359,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,从锂电池到锂离子电池,锂离子电池的原理和结构,绪论,锂离子电池的组装测试,锂离子电池的应用领域,锂离子电池及其关键材料当代能源化学,电极的制备,电池的组装,电池的测试,纽扣式半电池(CR2025)的组装和测试过程,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,电池的组装,手套箱系统(美国创新科技/IL-2GB),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,电池的测试,放电容量：电池放电时释放出来的电荷量，一般用时间和电流的乘积表示，例如Ah、mAh放电速率：表示放电快慢的一种度量，所用的容量1h放电完毕，称为1C放电；5h放电完毕，则称为C/5放电库仑效率：在一定的充放电条件下，放电时释放出来的电荷与充电时充入的电荷的百分比，也叫充放电效率标称电压：电池0.2C放电时全过程的平均电压标称容量：电池00.22C放电时的放电容量,电压,成本,锂离子电池及其关键材料当代能源化学安全性,容量能量密度,使用寿命功率密度,锂离子电池,锂离子电池及其关键材料当代能源化学,蓝电电池测试系统(武汉金诺/CT2001C),容量、使用寿命、能量和功率密度,锂离子电池及其关键材料当代能源化学电化学工作站(上海辰华/CHI660D),电压,电化学工作站(瑞士万通/AutolabPGSTAT302N),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,从锂电池到锂离子电池,锂离子电池的原理和结构,绪论,锂离子电池的组装测试,锂离子电池的应用领域,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,不同二次电池体系的能量和功率密度对比,Tarascon,J.M.etal.Science2011,334,928,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,Tarascon,J.M.etal.Science2011,334,928,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,电动汽车用锂离子电池系统,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,LG化学公司对于二次电池体系的全球市场预测,Choi,S.etal.Adv.EnergyMater.2012,2,860,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,工信部：节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020),2012年4月,以纯电驱动为我国汽车工业转型的主要战略取向，加快培育和发展新能,源汽车产业，重点推进纯电动汽车、插电式混合动力汽车产业化,以快速降低汽车燃料消耗量为目标，大力推广普及节能汽车，提升汽车,产业整体技术水平,到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量超过50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆,锂离子电池及其关键材料当代能源化学,成本安全性,成本安全性,高性能锂离子电池,先进电极材料,电压能量密度功率密度使用寿命,脱嵌锂电位比容量倍率性能循环性能,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,Marom,R.etal.J.Mater.Chem.2011,21,9938,电极材料发展趋势图,锂离子电池及其关键材料当代能源化学绪论,锂离子电池及其关键材料,正极材料的研究进展负极材料的研究进展,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,LiMO2(层状岩盐结构),LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2、Li(Ni1/3Co1/3Al1/3)O2,LiM2O4(尖晶石结构),LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4,LiMPO4(橄榄石结构),LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂离子电池及其关键材料当代能源化学,电池容量&电极材料比容量,电池的容量:Ah电极材料的比容量:mAh/g计算电极材料的理论比容量LiCoO2：脱嵌锂机制LiCoO2Li1-xCoO2+xLi+xe-(0x1)石墨：脱嵌锂机制6C+xLi+xe-LixC6(0x1),锂离子电池及其关键材料当代能源化学LiMO2(层状岩盐结构),正极材料的研究进展,LiM2O4(尖晶石结构)LiMPO4(橄榄石结构),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,LiMO2(层状岩盐结构)：,LiCoO2,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,脱嵌锂机制,LiCoO2Li11-xCoO2+xLi+xe-(0x1),理论比容量=274mAh/g,脱嵌锂电位：33.99-44.11V,“二维”脱嵌锂通道,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,制备方法,制备方法：高温/低温固相法、液相法、高温固相法：一般选用锂和钴的碳酸盐、硝酸盐、氧化物和氢氧化物等含氧化合物作为锂源和钴源，在空气中加热到600-900oC甚至更高的温度，反应时间较长。,锂离子电池及其关键材料,例1：LiCoO2纳米线,当代能源化学Li,Y.etal.NanoRes.2012,5,27,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例1：LiCoO2纳米棒,锂离子电池及其关键材料,例2：LiCoO2纳米盘,当代能源化学Li,Y.etal.NanoRes.2012,5,395,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例2：LiCoO2纳米盘,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例3：LiCoO2纳米晶,Zhang,X.etal.Nanoscale2013,5,11087,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例3：LiCoO2纳米晶,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,LiM2O4(尖晶石结构):,LiMn2O4,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,脱嵌锂机制,LiMn2O4Li11-xMn2O4+xLi+xe-(0x1),理论比容量=148mAh/g,脱嵌锂电位：3.9-4.1V,“三维”脱嵌锂通道,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例1：LiMn2O4微米球,Zhou,L.etal.J.Mater.Chem.A2013,1,837,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例1：LiMn2O4微米球Zhou,L.etal.J.Mater.Chem.A2013,1,837,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例1：LiMn2O4微米球Zhou,L.etal.J.Mater.Chem.A2013,1,837,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例2：GrapheneLiMn2O4,Kim,K.etal.J.Mater.Chem.2011,21,17309,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例2：GrapheneLiMn2O4,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,LiMPO4(橄榄石结构):,LiFePO4,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,脱嵌锂机制,LiFePO4Li1-xFePO4+xLi+xe-(0x1)理论比容量=170mAh/g嵌锂电位：3.2V脱锂电位：3.6V“一维”脱嵌锂通道,锂离子电池及其关键材料当代能源化学制备方法,从原料上考虑,锂源碳酸锂、氢氧化锂、草酸锂、铁源,三价铁源：三氧化二铁、二价铁源：草酸亚铁、醋酸亚铁、硫酸亚铁、,磷源磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵、磷酸二氢锂、,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例1：LiFePO4C颗粒高温固相法Hu,Z.etal.Ionics2010,16,311,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例1：LiFePO4C颗粒Hu,Z.etal.Ionics2010,16,311,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例2：LiFePO4CGraphene水热法+后续热处理Wu,Y.etal.J.Mater.Chem.2012,22,16465,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例2：LiFePO4CGraphene,Wu,Y.etal.J.Mater.Chem.2012,22,16465,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例2：LiFePO4CGraphene,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例3：LiFePO4纳米盘,溶剂热法+后续碳包覆Li,Y.etal.J.Mater.Chem.2011,21,9994,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例3：LiFePO4纳米盘,Li,Y.etal.J.Mater.Chem.2011,21,9994,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,例3：LiFePO4纳米盘Li,Y.etal.J.Mater.Chem.2011,21,9994,锂离子电池及其关键材料当代能源化学绪论,锂离子电池及其关键材料,正极材料的研究进展负极材料的研究进展,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,碳材料,硅基材料锡基材料,过渡金属氧化物钛酸锂,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,成本,脱嵌锂电位,安全性,比容量,倍率性能循环性能,Marom,R.etal.J.Mater.Chem.2011,21,9938,电极材料发展趋势图,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,碳材料,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,种类,天然石墨,石墨,碳材料,人造石墨软碳,无定形碳新型碳纳米材料,硬碳富勒烯碳纳米管石墨烯,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,石墨：脱嵌锂机制,石墨：嵌入型机制6C+xLi+xe-LixC6(0x1)理论比容量:372mAh/g体积变化：10%脱嵌锂电位：0.1V,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,无定形碳：脱嵌锂机制,无定形碳：微孔储锂机制,锂离子电池及其关键材料当代能源化学碳材料的优缺点,成本安全性,表面包覆表面氧化,碳材料,改性,电压比容量倍率性能循环性能库仑效率,掺杂形貌控制纳米化,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性1：表面包覆(碳),Zhang,W.etal.J.PowerSources2007,174,766,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性1：表面包覆(碳),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性2：氮掺杂,Cheng,H.etal.ACSNano2011,5,5463,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性2：氮掺杂,Cheng,H.etal.ACSNano2011,5,5463,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性2：氮掺杂,Cheng,H.etal.ACSNano2011,5,5463,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性3：形貌控制(梭子状),片状石墨vs梭子状石墨,Yoshio,M.etal.J.Mater.Chem.2004,14,1754,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性4：形貌控制(球形)梭子状石墨vs球形石墨Yoshio,M.etal.J.Mater.Chem.2004,14,1754,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性5：纳米化(纳米弹簧),Guo,Y.etal.Electrochem.Commun.2009,11,1468,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性5：纳米化(纳米弹簧),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性6：纳米化(三维介孔碳)Xu,B.etal.Electrochim.Acta2011,56,6464,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性6：纳米化(三维介孔碳),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,硅基材料,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,种类,硅,Si,硅基材料,硅氧化物硅基合金,SiO2、SiO等SiM(M=Ni、Ge、Sn等),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,脱嵌锂机制,硅：合金型机制Si+xLi+xe-LixSi(0x4.4)理论比容量=4200mAh/g体积变化：300%嵌锂电位：0.2V脱锂电位：0.5VJin,S.etal.EnergyEnviron.Sci.2011,4,56,锂离子电池及其关键材料当代能源化学硅基材料的优缺点,成本安全性,纳米化,硅基材料,改性,电压比容量倍率性能,复合改性掺杂改性,循环性能,库仑效率,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性1：纳米化(硅纳米线阵列)Cui,Y.etal.Nat.Nanotech.2008,3,31,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性1：纳米化(硅纳米线阵列),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性2：纳米化(硅中空纳米球)Cui,Y.etal.NanoLett.2011,11,2949,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性2：纳米化(中空纳米球),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性2：纳米化(硅中空纳米球),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性3：纳米化(硅纳米片),Yan,Q.etal.Chem.Mater.2011,23,5293,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性3：纳米化(硅纳米片),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性4：纳米化(SiO2中空纳米方块),Chen,Q.etal.Sci.Rep.2013,3,3568,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性4：纳米化,(SiO2中空纳米,方块),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性4：纳米化(SiO2中空纳米方块),Chen,Q.etal.Sci.Rep.2013,3,3568,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性5：复合改性(硅-无定形碳),Wang,D.etal.Phys.Chem.Chem.Phys.2012,14,12741,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性5：复合改性(硅-无定形碳),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性5：复合改性(硅-无定形碳),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性6：复合改性(硅-石墨烯)Guo,Y.etal.Adv.EnergyMater.2012,2,1086,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性6：复合改性,(硅-石墨烯),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性6：复合改性(硅-石墨烯),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性7：复合改性(硅-银),Yu,Y.etal.Adv.Mater.2010,22,2247,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性7：复合改性(硅-银),Yu,Y.etal.Adv.Mater.2010,22,2247,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性7：复合改性(硅-银),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锡基材料,锂离子电池及其关键材料,种类,当代能源化学锡基材料,锡锡氧化物锡硫化物锡基合金,SnSnO2、SnO等SnS2、SnS等SnM(M=Co、Ni、Cu、Fe等),锂离子电池及其关键材料当代能源化学脱嵌锂机制锡：合金型机制Sn+xLi+xe-LixSn(0x4.4),(MSn=118.7g/mol),理论比容量=994mAh/g体积变化：300%嵌锂电位：0.1-0.7V脱锂电位：0.4-0.8V,锂离子电池及其关键材料当代能源化学脱嵌锂机制,(1)(2),SnO2：合金型机制SnO2+4Li+4e-Sn+2Li2OSn+xLi+xe-LixSn(0x4.4)理论比容量=783mAh/g(MSnO2=150.7g/mol),锂离子电池及其关键材料当代能源化学脱嵌锂机制SnS2：类似于SnO2的脱嵌锂机制,(1)(2),SnS2+4Li+4e-Sn+2Li2SSn+xLi+xe-LixSn(0x4.4)理论比容量=645mAh/g(MSnS2=182.8g/mol),锂离子电池及其关键材料当代能源化学锡基材料的优缺点,成本安全性,纳米化,改性,电压比容量,锡基材料,复合改性,倍率性能循环性能,库仑效率,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性1：纳米化(SnO2中空纳米球),Yang,D.etal.J.Phys.Chem.B2008,112,14836,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性1：纳米化(SnO2中空纳米球)Yang,D.etal.J.Phys.Chem.B2008,112,14836,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性1：纳米化(SnO2中空纳米球)Yang,D.etal.J.Phys.Chem.B2008,112,14836,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性2：纳米化(SnO2纳米管阵列),Du,N.etal.J.Phys.Chem.C2011,115,11302,锂离子电池及其关键材料当代能源化学改性2：纳米化(SnO2纳米管阵列),ZnO,ZnOSnO2,SnO2,Du,N.etal.J.Phys.Chem.C2011,115,11302,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性2：纳米化(SnO2纳米管阵列),Du,N.etal.J.Phys.Chem.C2011,115,11302,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性3：纳米化(SnS2纳米片),Cheon,J.etal.Adv.Mater.2008,20,4269,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性3：纳米化(SnS2纳米片),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性3：纳米化(SnS2纳米片),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性4：复合改性,(锡-无定形碳),Wan,L.etal.Adv.Mater.2008,20,1160,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性4：复合改性(锡-无定形碳),Wan,L.etal.Adv.Mater.2008,20,1160,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性4：复合改性(锡-无定形碳),Wan,L.etal.Adv.Mater.2008,20,1160,Sn+xLi+xe-LixSn(0x4.4),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性5：复合改性,(SnO2/无定形碳),Wu,P.etal.Nanoscale2011,3,746,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性5：复合改性(SnO2/无定形碳),Sn,SnO2C,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性5：复合改性(SnO2/无定形碳),SnO2+4Li+4e-Sn+2Li2O(1)Sn+xLi+xe-LixSn(0x4.4)(2),锂离子电池及其关键材料当代能源化学改性6：复合改性(SnO2/碳纳米管+无定形碳),CNTSnO2,CNTSnO2CWu,P.etal.J.Phys.Chem.C2010,114,22535,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,改性6：复合改性(SnO2/碳纳米管+无定形碳),改性7：复合改性(SnO2/石墨烯+无定形碳),锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,Feng,X.etal.ACSNano2012,6,8349,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,过渡金属氧化物,锂离子电池及其关键材料当代能源化学种类,钴氧化物铁氧化物,过渡金属,Co3O4、CoO等-Fe2O3、Fe3O4、-Fe2O3等,氧化物,镍氧化物铜氧化物,NiOCuO,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,脱嵌锂机制,Co3O4：转换型机制Co3O4+8Li+8e-3Co+4Li2O,(MCo3O4=240.8g/mol),理论比容量=890mAh/g体积变化：100%嵌锂电位：1.0V脱锂电位：2.2V,锂离子电池及其关键材料,当代能源化学,脱嵌锂机制,Fe2O3：转换型机制Fe2O3+6Li+6e-2Fe+3Li2ONiO：转换型机制NiO+2Li+2e-Ni+Li2OCuO：转换型机制CuO+2Li+