第五章+锂离子电池.ppt

1、第一章 能源与新能源 第二章 新能源材料 第三章 化学电源及分类 第四章 化学电源基本概念与测试方法 第五章 锂离子电池 第六章 燃料电池 第七章 太阳能电池材料,第五章 锂离子电池,5.1 锂离子电池的构造和优点 5.2 二次锂离子电池的发展现状 5.3 二次锂离子电池的正极材料 与合成方法 5.4 二次锂离子电池的负极材料 5.5 二次锂离子电池的电解质材料,5.1.1 锂离子电池的构造,锂离子电池的组成,正极材料 一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。 负极材料 选择电位尽可能接

2、近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.40.6，y=0.60.4，z=(2 3x5y)/2)等。 电解质 采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。 隔膜 采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。 外壳 采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。,锂离子电池特征,锂离子电池内部由三层结构卷绕在钢壳内，由正极（L

3、iCoO2）、负极（C）与隔膜（聚丙烯及聚乙烯复合而成）组成。电池内部采用多种措施以确保安全：当内部气体超出额定范围，其安全阀将自动释放气体，以防止电池爆炸。,实验-科健K98手机锂聚合物电池,红色铜箔为负极集流体，银白色铝箔为正极集流体。 铜极、铝极与高分子膜交替出现组成了电池：铜箔（表面附有黑色物质CLix）高分子膜铝箔（表面附有黑色物质LiCoO2）高分子膜 取一片铜极，置于酒精灯上加热。剧烈燃烧发生了反应4LiO22Li2O 取一支试管，向其中加入两小片铜极，加入少量蒸馏水。有火光并放出大量气泡。 2Li2H2O2LiOHH2 取部分溶液，注入到另一支试管中，滴加两滴酚酞。溶液变为红色

4、，溶液显碱性。 取一根洁净的铂丝，蘸取步骤（6）得到的溶液，置于酒精灯外焰上灼烧。焰色为红色表明为Li的焰色 取一片铝极，置于酒精灯上加热。无明显现象 取一支试管，向其中加入两小片铝极，并加入少量蒸馏水。无明显现象 取部分步骤得到溶液，注入到另一支试管中，滴加两滴酚酞，无明显现象 向原试管中加入适量稀盐酸，振荡。溶液逐渐变为红色，发生了一下反应： 4LiCoO212HCl4LiCl4CoCl2O26H2O Co3为强氧化剂，在水溶液中极不稳定，易氧化H2O转化为Co2，Co（III）只存在于固态和配合物中。Co(H2O)62为粉红色。 （将上述红色溶液分别注入两支结晶试管中，向其中一支试管中加

5、入适量浓盐酸。溶液变为蓝色，发生了反应 Co(H2O)62CoCl42 正极材料LiCoO2，负极材料 C（CLix）,5.1.2锂电池的发展概况,期间经历了锂一次电池；二次锂电池；二次锂离子电池. 80年代Li/TiS2、Li/MoS2蓄电池问世， 锂是金属中最轻的元素，且标准电极电位为3.045 v,是金属元素中电位最负的一个元素。自70年代以来，以金属锂为负极的各种高比能量锂原电池分别问世，并得以广泛应用。,二次锂电池具有工作电压高，能量密度大，放电电压平稳等特点。 充电时表面电位分布不均匀造成锂不均匀沉积枝晶， 1、折断“死锂” 2、穿过隔膜，内部短路产生大电流，发生爆炸，,5.1.3

6、 锂离子二次电池与嵌锂化合物,80年代中期，对碳中的锂嵌入反应深入研究，发现高效锂嵌入的机理和条件，90年代二次电池开发成功。 1990年日本索尼公司宣称，采用可以使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替金属锂和采用可以脱嵌和可逆嵌入锂离子的高电位氧化钴锂正负极材料和与正负极能相容的LiPF6 EC + DEC电解质后，终于研制出新一代实用化的新型锂离子蓄电池。,锂离子电池的工作原理,Lithium-ion (Li-ion) batteries are comprised of cells that employ lithium intercalation compounds (嵌锂化合物）as the

7、 positive and negative materials. 所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。,嵌锂化合物,作为二次电池的电极材料，这些化合物都涉及到客体（Guest，简称嵌质G，如Li+，H）在主体晶格(Host，简称嵌基H， 如C、Li1-xMO2，LaNi5)中的嵌入、脱出量以及主体的可逆嵌脱循环性能（即二次电池的容量与循环寿命），这些性能与主体材料的结构及嵌脱过程中的结构变化密切相关，其中最重要的结构特征就是主体材料要有一定程度的结构开放性，能允许外来的原子或离子易于扩散进或逸出晶体。,电化学原理 锂离子电池内部没有任何金属锂

8、，锂离子仅仅在正极与负极之间移动，不会因为锂离子的脱出而使正极与负极材料改变，反应机理与可充电金属锂电池有本质的不同，人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”， 这样锂离子电池有更好的安全特性。,5.1.4 锂离子电池的优越性能 相对于传统的镉镍电池（Ni/Cd）和氢镍电池（Ni/MH）,锂离子电池的电压大约是它们的3倍;重量比能量密度提高了约3倍;对于同样的功率消耗，锂离子电池的使用期限约为镍镉电池的2.252.57倍.现在锂离子电池已经是电子信息产品设计人员的普通配置. 工作电压高 比能量大 循环寿命长 自放电率低 无记忆效应

9、 无污染,镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比,1. High voltage 2. High specific energy and energy density (over 200 Wh/kg and 400 Wh/L) 3. Operation over a wide temperature range 4. Good power density ( deliver their energy at high current and power levels) 5. Flat discharge characteristics: 6. Superior shelf life: Lithium

10、batteries can be stored for long periods, even at elevated temperatures. Storage of up to 10 years at room temperature has been achieved and storage of 1 year at 70oC has also been demonstrated.,锂电池有那些优点？,锂离子电池分类,根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium

11、 ion battery, 简称为LIP)两大类。 液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，它们的主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。 根据形状分为方形(laminar), 圆柱形(cylindrical)电池和棱柱状(prismatic)电池,5.2 二次锂离子电池的发展现状,LIB becomes an almighty rechargeable battery Over 2Billion cell demand

12、 in 06CY with 10+% annual growth Steady demand increase for Cellular As the 3rd important application, Power Tools demand more than expected LIB powered UPS is commercialized, of course LIB HEV will be major in 2010s,Worldwide Market Update on NiMH, Li Ion and Polymer Batteries for Portable Applicat

13、ions and HEVS，THE 23rd INTERNATIONAL BATTERY SEMINAR 1) Toyotas in-house LIB, 2) Nissan/NEC Laminar LIB, 3) Hondas outsource, 4) Sanyos original LIB Toyotas first LIB will be really orthodox in cell design and manufacturing, seeking both power & energy Nissans second LIB will be the challenging one, seeking ultra high power and low cost Cost is the only one concern of LIB Performance & safety might be OK, reliability needs to be confirmed 1kWh LIB battery for HEV: Initial 1000-1200$ w/o