锂离子电池实用培训教程(ppt 28页).ppt

1、电池是一种利用电化学的氧化-还原反应，进行化学能-电能之间转换的储能装置。,电池,一次电池,二次电池,锌锰干电池,纽扣电池,锂原电池,铅酸电池,镍氢电池,锂离子电池,锂离子电池,铅酸电池,锂离子电池,一次电池,电池的应用,一、锂离子电池,1锂离子电池结构示意图,80年代，由Armand提出了“摇椅式”锂离子二次电池的新概念。提出电池的正、负极材料采用可以储存和交换锂离子的材料，利用充放电时，锂离子的来回移动进行能量交换。,层状化合物LiCoO2的合成，发现石墨可插入锂离子生成石墨层间化合物LixC6。,1991年由日本SONY公司生产出以LiCoO2为正极材料，碳黑为负极材料的商业化锂离子电池

2、。,2设计思想,3锂离子电池工作原理,4锂离子电池电极反应,电池反应:6C+LiCoO2,5锂离子电池的组成,电池,正极,负极,电解质,LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等,人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等,有机溶剂电解质（液态）聚合物电解质（固态、凝胶）,6目前锂离子电池优缺点,锂离子电池与镍镉、镍氢电池性能的对比 技术参数镍镉电池镍氢电池锂离子电池工作电压（V）1.2 1.2 3.6比容量(Wh/Kg) 50 65 105-140充放电寿命(次)500 500 1000自放电率（%/月）25-30 30-35 6-9有无记忆效应有 有 无有无污染 有 无 无,1.工作电压高

3、2.能量密度高 3.自放电速率低 4.循环寿命长 5.无记忆效应 6.环保,优点,二、锂离子电池对正、负极材料的要求,(1) 具有稳定的层状或隧道的晶体结构。,(3) 有平稳的电压平台。,(2) 具有较高的比容量。,(4) 正、负极材料具有高的电位差。,(5) 具有较高的离子和电子扩散系数。,(6) 环境友好。,大多数可作为锂离子电池的活性正极材料是含锂的过渡金属化合物，而且以氧化物为主。 目前已用于锂离子电池规模生产的正极材料为LiCoO2。,三、锂离子电池正极材料研究现状,1层状结构材料（ LiCoO2、 LiNiO2等）,LiCoO2,工作区间： 锂脱出量 0.5，工作平台位于4.0V，

4、比容量137 mAh/g，循环性能好。,当锂脱出量0.5 时，结构不稳定，需要充电保护。,理论比容量275mAh/g。,存在的主要问题,（1）实际比容量与理论值275 mAh/g有较大差距。,（2）资源匮乏，成本高。,（3）有一定毒害。,主要解决办法,利用Ni、Al等元素掺杂替代，稳定结构，提高电位和比容量，降低成本。,LiNiO2,具有与LiCoO2相同的结构，理论比容量为274 mAh/g，实际可达到180mAh/g以上，远高于LiCoO2，不存在过充电现象，并具有价廉、无毒，等优点。,（1）制备困难。,存在的主要问题,（2）结构不稳定，易生成Li1-yNi1+yO2。使得部分Ni位于Li

5、层中，降低了Li离子的扩散效率和循环性能。,主要解决办法,利用Co、Al、Mg等元素掺杂替代，稳定结构，提高电位、比容量和循环性能。改善制备工艺、降低合成条件。,我们对利用Al掺杂替代的LiNi1-xAlxO2材料的结构和性质进行了研究。,结果表明，Al掺杂可以起到稳定结构、提高材料电位和比容量的作用。降低材料合成时对氧气气氛的依赖程度。,材料的电导率有较大下降。,为了提高电导率，我们利用价非均衡法，对材料又进行Mg了掺杂。使得材料的电导率得到提高，达到了实用水平。,电化学实验表明，材料的工作电压和比容量明显提高，循环性能得到较大改善。但与实际应用还存在一定差距。,LiMn2O4,2尖晶石结构

6、材料,氧离子立方密堆积排列，Li+占据四面体位置，Mn3+/Mn4+占据八面体位置。,Mn2O4构成的尖晶石基本框架,空位形成的三维网络，成为Li+离子的输运通道。利于Li+离子脱嵌。,LiMn2O4在Li完全脱去时能够保持结构稳定，具有4V的电压平台，理论比容量为148mAh/g，实际可达到120mAh/g左右，略低于LiCoO2。资源丰富、价格低。,存在的主要问题,结构热稳定性差，易形成氧缺位，使得循环性能较差。,主要解决办法,利用Co、Ni等元素掺杂替代，稳定结构，提高比容量和循环性能。,到目前为止，LiNiO2和LiMn2O4的研究虽有一些突破，有一些应用，但还有许多关键问题没有解决，

7、在性能方面还与LiCoO2有着较大差距。目前LiCoO2仍是小型锂离子电池的主要正极材料。,LiFePO4,3动力电池正极材料,1997年由美国德克萨斯州立大学的研究小组首次报道了LiFePO4具有可逆脱嵌锂的特性。,LiFePO4具有3.5V的电压平台，理论容量为170mAh/g。,主要优点,材料结构的动力学和热力学稳定性很高。,（1）优异的安全性能 （2）优异的循环稳定性，8000次高倍率充放电循环，不存在安全问题。 （3）适于大电流放电。温度越高材料的比容量越大。 （4）成本低，环保。,存在的主要问题,（1）结构中没有连续直接的锂离子通道，使得离子迁移率低。 （2）结构中没有连续的FeO6八面体网络，电子只能依靠Fe-O-Fe传导，电子导电率低。,主要解决办法,通过Mg、Al、Ti、Nb和W等元素掺杂，人为制造结构缺陷，来提高离子迁移率和电子导电率。 目前经掺杂后离子迁移率和电子导电率均得到大幅度提高，达到了使用要求。其中，电导率提高了8个数量级，高于LiCoO2。,目前情况,通过掺杂，离子迁移率和电子导电率低的问题基本