锂离子电池材料与设计-杨俊

锂离子电池材料与设计杨俊化学工程学院yangjun@1234锂离子电池电解液锂离子电池负极材料锂离子电池正极材料锂离子电池材料基础目 录5678锂离子电池的设计锂离子电池材料的测试表征固态电解质锂离子电池隔膜与辅助材料目 录Part

1锂离子电池材料基础发展历程主要构成特性参数工作原理1800年，意大利——伏特（Volt）发明了人类历史上第一套电池装置，划时代意义！在该装置中，用浸泡在碱溶液中的布隔开两种金属的堆积片，再以导线连接两端——产生电流。这是我们今天所认识的电池的最初形式。通过电化学反应将电极材料的化学能直接转化为电能的系统。什么是电池？电池的分类锂一次电池(又称锂原电池，

PrimaryLB)锂电池(Lithium

Battery,简写成LB)锂二次电池(又称锂可充电电池，RechargeableLB)锂电池锂一次电池primarylithium

battery定义：放电后不能再充电使其复原的电池，是一种高能化学原电池。组成以金属锂为负极，固体盐类或溶于有机溶剂的盐类为电解质，金属氧化物或其他固体、液体氧化剂为正极活性物。

锂一次电池是这一类以使用金属锂为负极材料的化学电源系列的总称。我国生产的锂电池主要是圆柱型和扣式锂二氧化锰Li/MnO2电池锂一次电池当前70年代60年代的能源危机多种材料应用于锂一次电池锂一次电池商品化锂一次电池大发展20世纪50年代开始锂一次电池的研究手表、计算器、植入式医疗设备Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、Li-SO2、Li-Ag2CrO4等锂一次电池发展史背景：在商业化锂一次电池的同时，人们发现许多层状无机硫族化合物可以同碱金属发生可逆反应，这样的化合物统称为嵌入化合物。在嵌入化合物基础上，锂二次电池诞生了。其中最具有代表性的是1970年埃克森公司的M.S.Whittingham利用Li-TiS2体系，制成首个锂二次电池。1.WhittinghamMS．U．S．Patent

4009052．19772.WhittinghamM

S．Science，1975，192：1226锂二次电池Seconary

battery定义：可反复进行充放电而多次使用的电池。锂二次电池锂离子电池发展史锂离子电池的概念锂与过渡金属的复合氧化物锂离子电池比能量电压层状结构的石墨 负极高达3.6V正极20世纪80年代末，日本Sony公司提出者1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨这种锂离子电池，克服了锂二次电池循环寿命低、安全性差的缺点，锂离子电池得以商品化。标志着电池工业的一次革命。锂离子电池是指依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作的二次电池(充电电池)。锂离子电池的应用能量密度高能量转换率高自放电率小循环寿命长转换率达到96%，而Ni-MxH为55～65%，Ni-Cd为55～75%；比能量达180

Wh/kg，是Ni-Cd电池4倍，Ni-MxH电池2倍；工作电压达到3.6V，相当于3节Ni-Cd或Ni-MxH电池；ICR

18650型锂离子电池能循环1000次，容量保持率＞85%以上；锂离子电池自放电率小于2%/月；不含重金属及有毒物质，无环境污染，是真正的绿色电源。环境友好可以随时充放电；无记忆效应法国Saft公司研制的锂离子电池的功率密度达到4000W/kg；可高倍率充放电缺点？锂离子电池的优点锂离子电池的主要组成部分正极材料负极材料隔膜

电解液磷酸铁锂（LiFePO4）

钴酸锂（LiCoO2）镍酸锂（LiNiO2）

锰酸锂（LiMnO2）

锂硫电池三元材料（LiNiCoMnO2）

锂离子电池正极材料正极材料NCM(111)金属锂负极材料碳基负极材料硅基负极材料锡基负极材料锗基负极材料钛酸锂负极材料锂离子电池负极材料负极材料锂离子电池电解液

电解液非水有机溶剂电解质锂盐添加剂EC、PC、EMC、DEC等LiPF6、LiClO4、LiBF4等阻燃剂抑制气体生成改善SEI膜性能控制水和酸含量防过充添加剂充电（charge）放电（discharge）锂离子电池工作原理充电过程：正极材料（脱锂）LiMO2

→Li1−xMO2+xLi++xe−负极材料（嵌锂）6C+xLi++xe−→LixC6放电过程：正极材料（嵌锂）Li1−xMO2+xLi++xe−

→LiMO2负极材料（脱锂）LixC6→6C+xLi++xe−锂离子电池工作原理摇椅电池当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。负极的碳材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。当