锂离子电池的应用﹑研究与发展

1、锂离子电池的研究与发展锂离子电池的研究与发展 陈彬陈彬 目目 录录 锂离子电池的应用现状锂离子电池的应用现状1 锂离子电池的充放电原理锂离子电池的充放电原理2 未来市场发展和展望未来市场发展和展望4 材料的改进材料的改进3 1 锂离子二次电池的起源锂离子二次电池的起源 图图1.1 有关电池的发展历史有关电池的发展历史 图图 1.2 锂离子电池在二次电池市场占有率的趋势锂离子电池在二次电池市场占有率的趋势 锂离子二次电池的发展锂离子二次电池的发展 二次电池二次电池 市场上二次电池的种类市场上二次电池的种类 图图 1.3 商业化的二次电池种类商业化的二次电池种类 锂离子电池的优点锂离子电池的优点

2、电压高电压高 (Ni-Cd、Ni-H电池的电池的3倍倍 ); 比能量大比能量大 (2倍于倍于Ni-Cd，1.5倍于倍于Ni-MH); 循环寿命长循环寿命长 (500次以上次以上,甚至甚至1000次以上次以上); 安全性能好安全性能好,无公害无公害,无记忆效应无记忆效应; 自放电小自放电小(低于低于Ni-Cd的的25-30%，Ni-MH的的 30-35%); 可快速充放电可快速充放电; 工作温度范围高，工作温度范围高， 重量小重量小 锂离子电池的主要市锂离子电池的主要市 场场 图图 1.4 锂离子电池的主要应用锂离子电池的主要应用 福特福特Escape混合动力车混合动力车 锂离子电池的未来市场锂

3、离子电池的未来市场 图图 1.5 锂离子电池的拓展市场锂离子电池的拓展市场 锂锂离子二次电池的发展离子二次电池的发展 图图 1.6 锂离电池需求量预测锂离电池需求量预测 随着材料研发随着材料研发 的不断进步和的不断进步和 电池电化学性电池电化学性 能的提高能的提高,锂离锂离 子电池仍然会子电池仍然会 快速增长快速增长,霸占霸占 着二次电池市着二次电池市 场场 锂离子电池充放电原理锂离子电池充放电原理 2 锂离子电池的原理示意图锂离子电池的原理示意图 DischargeCharge load ee Charge Discharge + Li + Li + Li Electrolyte + Li

4、+ Li + Li + Li + Li + Li + Li e e e e e e e e + _ Current Collector Current Collector Anode Cathode Li1-xCoO2 LixC6 以氧化钴锂为正极材料，石墨为负极材料的 以氧化钴锂为正极材料，石墨为负极材料的 锂二次电池充放电示意图锂二次电池充放电示意图 分别代表石墨炭原子、氧原子及钴原 分别代表石墨炭原子、氧原子及钴原 子子 图图 2.1 锂离子电池的充放电原理示意图锂离子电池的充放电原理示意图 xexLiCoOLiLiCoO 2x12 充电 放电 6 6CLixexLiC x 充电 放电

5、放电 62x12 6CLiCoOLiLiCoOC x 充电 正极反应正极反应: 负极反应负极反应: 总的反应总的反应: 锂离子电池的反应机理锂离子电池的反应机理 电极反应电极反应: : 可逆地嵌入和脱嵌可逆地嵌入和脱嵌LiLi+ +的过程的过程 电池材料的改进电池材料的改进 3 锂离子电池的负极材料锂离子电池的负极材料 石墨石墨: :作为碳材料中的一种，与锂形成石墨嵌入化合物（作为碳材料中的一种，与锂形成石墨嵌入化合物（Graphite Graphite Intercalation CompoundsIntercalation Compounds）LiCLiC6 6 . . 制备高纯度和规整制

6、备高纯度和规整 的微结构碳负极材的微结构碳负极材 料料, 巴基球巴基球C60 、 碳纳米管和其它纳碳纳米管和其它纳 米尺度的嵌锂微结米尺度的嵌锂微结 构构.增加材料结构的增加材料结构的 稳定性稳定性 特殊结构的金属氧特殊结构的金属氧 化物如新型锡复合化物如新型锡复合 氧化物基负极材料氧化物基负极材料. 质量比能量较碳负质量比能量较碳负 极材料大大提高极材料大大提高,电电 容量以及循环性能容量以及循环性能 得到提高得到提高 石墨材料的改性石墨材料的改性 引入非金属元素：引入非金属元素： H、B、N、Si 、P、S 等等 引入金属元素：引入金属元素：K、Mg、Al、Ga、V、Ni、Co、Cu、Fe

7、 等等 表面处理表面处理:氧化处理氧化处理采用碳包覆采用碳包覆包覆金属及其氧化物包覆金属及其氧化物聚合物包覆聚合物包覆 容量循环衰减容量循环衰减 未来市场发展和展望未来市场发展和展望 4 锂离子二次电池的市场发展锂离子二次电池的市场发展 锂离子电池目前已经成为锂离子电池目前已经成为便携式电器便携式电器(手机、笔记本电手机、笔记本电 脑等脑等) )标配电源。标配电源。 锂离子电池作电动汽车锂离子电池作电动汽车(EV)(EV)、混合电动汽车、混合电动汽车(HEV)(HEV)的的动动 力电源也会得到更广泛应用力电源也会得到更广泛应用。 在航空航天领域、军事应用、微型机电系统、动力负在航空航天领域、军

8、事应用、微型机电系统、动力负 荷调节系统荷调节系统生物领域等方面，锂离子电池会扮演越来生物领域等方面，锂离子电池会扮演越来 越重要的角色。越重要的角色。 参考文献参考文献 1. Kisuk Kang, Ying Shirley Meng, Julien Brger, Clare P. Grey, and Gerbrand 1. Kisuk Kang, Ying Shirley Meng, Julien Brger, Clare P. Grey, and Gerbrand Ceder, Electrodes with High Power and High Capacity for Rechar

9、geable Ceder, Electrodes with High Power and High Capacity for Rechargeable Lithium Batteries, Science 311 (2006) 977-980.Lithium Batteries, Science 311 (2006) 977-980. 2. Hiroyuki Nishide and Kenichi Oyaizu, Toward Flexible Batteries, Science 319 2. Hiroyuki Nishide and Kenichi Oyaizu, Toward Flexi

10、ble Batteries, Science 319 (2008) 737-738.(2008) 737-738. 3. Joe Alper, The Battery: Not Yet a Terminal Case, Science 296 (2002) 1224-3. Joe Alper, The Battery: Not Yet a Terminal Case, Science 296 (2002) 1224- 1226. 1226. 4. 4. 吴宇平等编著吴宇平等编著, ,锂离子二次电池锂离子二次电池 , ,化学工业出版化学工业出版(2002),P99-103.(2002),P99-

11、103. 5. Y. Kim, H.S. Kim, S.W. Martin, Synthesis and electrochemical 5. Y. Kim, H.S. Kim, S.W. Martin, Synthesis and electrochemical characteristics of Al2O3-coated LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode materials for characteristics of Al2O3-coated LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode materials for lithium ion batteri

12、es, Electrochimica Acta 52 (2006) 1316-1322.lithium ion batteries, Electrochimica Acta 52 (2006) 1316-1322. 6. L. Liu, Z. Wang, H. Li, L. Chen, X. Huang, Al2O3-coated LiCoO2 as cathode 6. L. Liu, Z. Wang, H. Li, L. Chen, X. Huang, Al2O3-coated LiCoO2 as cathode material for lithium ion batteries, So

13、lid State Ionics 152-153 (2002) 341-material for lithium ion batteries, Solid State Ionics 152-153 (2002) 341- 346.346. 7. Robert F. Service, Shrinking Dimensions Spur Research Into Ever-Slimmer 7. Robert F. Service, Shrinking Dimensions Spur Research Into Ever-Slimmer Batteries, Science 308 (2005)

14、786.Batteries, Science 308 (2005) 786. 8.8. Jaephil ChoJaephil Cho* *, , VOx-coated LiMn2O4 nanorod clusters for lithium battery VOx-coated LiMn2O4 nanorod clusters for lithium battery cathode materialscathode materials, , Journal of Materials Chemistry 18 (2008) 22572261.Journal of Materials Chemis

15、try 18 (2008) 22572261. 参考文献参考文献 9. Lifen Xiao et al .Enhanced electrochemical performance of submicron LiCoO2 9. Lifen Xiao et al .Enhanced electrochemical performance of submicron LiCoO2 synthesized by polymer pyrolysis method, Journal of Solid State synthesized by polymer pyrolysis method, Journa

16、l of Solid State Electrochemistry (2008) 12:149153Electrochemistry (2008) 12:149153. . 10. S. Castro-Garc, A. Castro-Couceiro, M.A. Senarir-Rodriuez, F. Soulette, C. 10. S. Castro-Garc, A. Castro-Couceiro, M.A. Senarir-Rodriuez, F. Soulette, C. Julien, Influence of aluminum doping on the properties

17、of LiCoO2 and Julien, Influence of aluminum doping on the properties of LiCoO2 and LiNi0.5Co0.5O2 oxides, Solid State Ionics 156 (2003) 15-26.LiNi0.5Co0.5O2 oxides, Solid State Ionics 156 (2003) 15-26. 11. H. Cao, B. Xia, Y. Zhang, N. Xu, LiAlO2-coated LiCoO2 as cathode material 11. H. Cao, B. Xia,

18、Y. Zhang, N. Xu, LiAlO2-coated LiCoO2 as cathode material for lithium ion batteries, Solid State Ionics 176 (2005) 911-914.for lithium ion batteries, Solid State Ionics 176 (2005) 911-914. 12. J.C. Arrebola, A. Caballero, L. Hern, J. Morales, PMMA-assisted synthesis 12. J.C. Arrebola, A. Caballero,

19、L. Hern, J. Morales, PMMA-assisted synthesis of Li1-xNi0.5Mn1.5O4-d for high-voltage lithium batteries with expanded of Li1-xNi0.5Mn1.5O4-d for high-voltage lithium batteries with expanded rate capability at high cycling temperatures, Journal of Power Sources 180 rate capability at high cycling temperatures,