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31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 电压高电压高 (N

2、i-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离子电池的未来市场图图 1.5

3、 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DischargeChargeloadee ChargeDischarge+Li+Li+LiElectrolyte+Li+Li+Li+Li+Li+Li+Lieeeeeeee+_CurrentCollec

4、torCurrentCollectorAnodeCathodeLi1-xCoO2LixC6 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xexLiCoOLiLiCoO2x12充电 放电66CLixexLiCx充电 放电 放电62x126CLiCoOLiLiCoOCx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

5、: : 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

6、 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 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

7、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

8、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 Rechargeable Ceder, Electrodes with High Power and High Capacity for Rechargeable Lithium Batteries, Science 311 (2006)

9、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 Flexible Batteries, Science 319 (2008) 737-738.(2008) 737-738.3. Joe Alper, The Battery: Not Yet a Terminal Case, Scienc

10、e 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),P99-103.5. Y. Kim, H.S. Kim, S.W. Martin, Synthesis and electrochemical 5. Y. Kim, H.S. Kim, S.W. Martin, Synthesis and e

11、lectrochemical characteristics of Al2O3-coated LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode materials for characteristics of Al2O3-coated LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode materials for lithium ion batteries, Electrochimica Acta 52 (2006) 1316-1322.lithium ion batteries, Electrochimica Acta 52 (2006) 1316-1322.6. L. Liu,

12、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, Solid State Ionics 152-153 (2002) 341-material for lithium ion batteries, Solid State Ionics 152-153 (2002) 341-346.346.7

13、. 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) 786.Batteries, Science 308 (2005) 786.8.8. Jaephil ChoJaephil Cho* *, , VOx-coated LiMn2O4 nanorod clusters for lithium b

14、attery VOx-coated LiMn2O4 nanorod clusters for lithium battery cathode materialscathode materials, , Journal of Materials Chemistry 18 (2008) 22572261.Journal of Materials Chemistry 18 (2008) 22572261. 参考文献参考文献9. Lifen Xiao et al .Enhanced electrochemical performance of submicron LiCoO2 9. Lifen Xia

15、o et al .Enhanced electrochemical performance of submicron LiCoO2 synthesized by polymer pyrolysis method, Journal of Solid State synthesized by polymer pyrolysis method, Journal of Solid State Electrochemistry (2008) 12:149153Electrochemistry (2008) 12:149153. .10. S. Castro-Garc, A. Castro-Couceir

16、o, 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 of LiCoO2 and Julien, Influence of aluminum doping on the properties of LiCoO2 and LiNi0.5Co0.5O2 oxides, Solid State Ionics

17、 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, Y. Zhang, N. Xu, LiAlO2-coated LiCoO2 as cathode material for lithium ion batteries, Solid State Ionics 176 (2005) 911-914.fo

18、r 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, 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, Journal of