聚合物在锂离子电池中的应用

1、聚合物在锂离子电池中的应用 概要：第一部分：选题的背景第一部分：选题的背景第二部分：锂离子电池及其应用的聚合第二部分：锂离子电池及其应用的聚合物物第三部分：锂离子电池的应用第三部分：锂离子电池的应用 第一部分：选题的背景第一部分：选题的背景本题涉及的是新能源材料的问题:新能源材料的特点：新能源材料的特点： 新材料把原来使用的能源变成新能源。 一些新材料可以提高储能和能量转化效果新能源材料开发面临的问题新能源材料开发面临的问题: 资源的合理利用。 安全与环境保护。 材料规模化生产的制作与加工。 延长材料的使用寿命。二次电池简介：二次电池简介： 什么是二次电池？ 为什么二次电池能够迅猛发展？目前对

2、二次电池研究的新重点： .储氢材料及金属氢化物镍电池；.锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池； .聚合物电解质锂离子电池； 第二部分：第二部分：锂离子电池及其应用的聚合物锂离子电池及其应用的聚合物一、概述二、工作原理三、正极材料四、负极材料五、电解质材料一、概述定义：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。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。与其优点比起来,锂离子电池的缺点不应成为问题,特别是它应用在高附加值和高科技产品中.特点：优点 体积和质量比能量高。（体积比能量就是单位体积的能量，质量比能量类似）平均输出电压高，一般为3.6V，是Cd-Ni，MH-Ni电池的

3、三倍；可大电流放电，输出功率大；自放电率小，每月放电不超过10%，不到Cd-Ni，MH-Ni电池的一半；放电时间长、循环性能好、使用寿命长，可达1200次；充电效率高，可达100%，而且可快速充电；没有环境污染，称为“绿色电池”缺点成本高，主要是正极活性材料价格高；必须有特殊保护电路，以防过充电；与普通电池的相容性差，一般要在3节普通电池的情况下才能用锂离子电池代替。二、工作原理 以石墨负极和LiCoO2正极为例：充电反应为： 正极 :负极:电池反应: 在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，而嵌入负极，即锂离子从高浓度正极向低浓度负极的迁移过程；放电过程类似。LiCoO2 Li1-xCoO2 + x

4、Li+ + xe6C + xLi+ + xe LixC66C + LiCoO2 Li1-xCoO2 + LixC6三、正极材料主要有：氧化钴锂正极材料、氧化镍锂正极材料、氧化锰锂正极材料、钒氧化物正极材料等通过掺杂其它元素、改进制备工艺等材料改性手段可以有效的提高脱嵌相的稳定性，提高可逆容量和抑制容量衰减。四、负极材料碳基负极材料石墨化碳负极材料无定形碳材料其它碳负极材料:富乐烯碳纳米管负极材料分为：碳基负极材料和非碳基负极材料两大类；非碳负极材料氮化物硅及硅化物锡基氧化物及锡化物钛的氧化物对碳基负极材料的改性:1.引入非金属元素;2.引入金属元素;3.进行表面处理;4.采用机械化学法(粉碎等

5、).五、聚合物电解质材料(来自高能化学电源)电解质种类结构特点电解质体系性能特点凝胶聚合物交联型聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN）聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯（PVDF）等 液体增塑剂（低分子量聚乙二醇）化学交联： 性能稳定，不受温度和时间的影响物理交联： 温度升高或长时间放置发生容胀、溶解、增塑剂析出非交联型 聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN）聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯（PVDF）等 液体增塑剂（低分子量聚乙二醇）全固态聚合物交联型聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN） 聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯（PVDF）等填料：有机低分子化合物、无机物、有

6、机-无机混合物非交联型聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN）聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯（PVDF）等 填料：有机低分子化合物、无机物、有机-无机混合物聚氧化乙烯类（PEO）PEO在20世纪80年代开始作为电解质基体应用于电池中，其主要特点是：玻璃转化温度低和无定形相含量高。PEO的离子导电机理：离子通过PEO的局部松弛和链段的运动实现快速迁移，该迁移主要发生在无定形相中。通常的改性方法：共聚、交联、掺杂盐、加增塑剂和无机填料。聚丙烯腈(PAN）PAN基电解质的研究始于1975年。其优点是：1.合成简单2.性能稳定3.热稳定性高4.不易燃烧缺点：离子电导率较低；但可以通过以下手段对

7、其凝胶电解质进行改进：选择合适的非水溶剂，如：用EC/DMC或EC/DEC混合溶剂代替PC/EC，可以避免PC的分解进而提高电导率；改善基体，通过共聚等方法可以减少聚丙烯腈的结晶性；加入添加剂，如：加入三氧化二铝增塑后其室温电导率达0.23ms/cm；减少凝胶中的杂质提高电解质的均匀性聚甲基丙烯酸酯（PMMA） PMMA为非晶态高分子化合物，透明性好，1985年开始用于锂离子电池。PMMA系凝胶电解质的特点是与金属锂电极的界面电阻低；通过共聚可以得到离子电导率、机械强度和化学稳定性都较高的聚合物电解质；聚偏氟乙烯（PVDF）PVDF均聚物为离子电导率高的电解质，具有优良的耐溶剂性能，热稳定性能

8、和耐候性能等。锂离子电池用的聚偏氟乙烯化合物有聚偏氟乙烯均聚物和氟化乙烯与六氟丙烯共聚物等几种最新的聚合物电解质Ref.石 桥等 锂离子电池用聚合物电解质的最新进展I. 干态聚合物电解质J,电子元件与材料,2003,11.22(11):5357.聚合物电解质研究趋势（来自陈光主编新材料概论）聚合物电解质存在着电导性与力学性能的矛盾，以及常温电导率不高、稳定性不好的问题。可以预测，今后几年聚合物电解质技术的研究将主要集中在：解决电导性与力学性能的矛盾；从分子水平上阐述聚合物电解质的结构与导电机制的关系；聚合物超离子导体；聚合物单离子导体。电池型号圆 柱 形方 形14500175001865022

9、mm宽22mm宽30mm宽30mm宽34mm宽容量/mAh5807501350470600580850900直径/mm141718 高度/mm50505068698宽度/mm 2222303034长度/mm 4848484848第三部分：锂离子电池的应用第三部分：锂离子电池的应用 在电子产品方面的应用： 手机：手机用锂离子电池的技术指标笔记本电脑：笔记本电脑的电压为10V以上，容量大，一般采用34个单电池串联就可以满足电压要求，然后再将23个串联的电池组并联，以保证较大的容量。 交通工具方面的应用： 电动自行车：采用铅酸蓄电池，电池本身重就达十几公斤而采用锂离子电池则只有3kg重； 电动汽车：

10、具有以下优点：.低污染排放；.低噪声、无废热；.提高能源利用率；.减缓能源危机；.不会产生内燃机油污，耗油率为“零”； .寿命长（大于10年），维护费用低，直接传动而驾驶平稳且无歇停振动现象等； 我国“863”计划电动汽车重大专项计划书中要求锂离子电池作为电动汽车动力必须达到的性能（来自高能化学电源）质量比能量/（Wh/kg）130功率密度/（W/kg）1600循环次数/次500行驶里程/万公里10电池工作温度/-2055索尼公司以锂离子电池为动力的电动汽车部分试车结果（来自锂离子电池） 参 数性 能长x宽x高/mm4145x1695x1565乘客数/人4质量/kg1700每次充电行驶里程/k

11、m200最大速率/（km/h）120从0加速到80km/h所需时间/s12 在军事上的应用： 美国军用锂离子电池的技术指标为：工作电压为4.0V，比能量为90wh/kg，功率密度为40w/kg，工作温度为：-2055。 （The design of electrolytes,i.e.ionic conductors and electronic insulators, using crystalline solids, polymers, or composites consisting of polymer-liquid or ceramic-liquid combinations.Ref.NSF） 主要应用：军事通讯，鱼雷、潜艇、导弹等尖端武器上； 其他应用 医学 主要应用于助听器、心脏起搏器等；