鋰離子電池的原理(共31張PPT)

鋰離子電池的原理及應(yīng)用前景第1頁，共31頁。鋰離子電池第2頁，共31頁。發(fā)展歷史1970年代?？松腗.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池。第3頁，共31頁。1982年伊利諾伊理工大學(xué)(theIllinoisInstituteofTechnology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。與此同時(shí)，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受關(guān)注，因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。第4頁，共31頁。1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。第5頁，共31頁。1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。第6頁，共31頁。1991年索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。第7頁，共31頁。1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。第8頁，共31頁。鋰系電池鋰系電池鋰電池鋰離子電池聚合物鋰離子電池液體鋰離子電池第9頁，共31頁。常見種類1.鋰－二氧化錳電池(Li--MnO2)

鋰－二氧化錳電池是一種以鋰為陽極（負(fù)極）、以二氧化錳為陰極（正極），并采用有機(jī)電解液的一次性電池。該電池的主要特點(diǎn)是電池電壓高，額定電壓為3V(是一般堿性電池的2倍)；終止放電電壓為2V；比能量大(金屬鋰的理論克容量為3074mAh)；放電電壓穩(wěn)定可靠；有較好的儲(chǔ)存性能(儲(chǔ)存時(shí)間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤10％)；工作溫度范圍－20℃～＋60℃。該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長(zhǎng)方形、圓柱形及紐扣形(扣式)。第10頁，共31頁。第11頁，共31頁。鋰—亞硫酰氯電池(Li--SOCl2)該類電池的比能量是所有商業(yè)化電池中最高的，放電電壓特別平穩(wěn)，一般用于不能經(jīng)常維護(hù)的電子設(shè)備、儀器上，應(yīng)用領(lǐng)域很窄。第12頁，共31頁。第13頁，共31頁。鋰離子電池原理鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。第14頁，共31頁。第15頁，共31頁。負(fù)極：LiyMnYm+xLi++xe-=Lix+yMnYm

正極：LizAvBw=Liz-xAvBw+xLi++xe-

總反應(yīng)LiyMnYm+LizAvBw=Lix+yMnYm+Liz-xAvBw第16頁，共31頁。正極材料過渡金屬氧化物鈷酸鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）及三元材料（Li-Co-Mn-Ni-O)。此外，一些新型電極材料如磷酸鐵鋰等LixMPO4(M=Fe、Mn、V、Ni、C0)，也開始成為近年來研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。第17頁，共31頁。對(duì)于軍隊(duì)而言，目前鋰離子電池除了用于軍事通信外，還用于尖端武器，如魚雷、潛艇、導(dǎo)彈等；從交通方面而言，我國(guó)有關(guān)部門在2003年已有定論，電動(dòng)自行車可不作為機(jī)動(dòng)車使用。1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。六氟磷酸鋰(LiPF6)是鋰離子電池的電解質(zhì)材料，也是鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分，約占鋰離子電池電芯材料成本的15%左右，是目前唯一生產(chǎn)工藝最為成熟、電池性能最可靠并獲得最活化速度快、放電比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，與正負(fù)極材料匹配性離能好，在性能、應(yīng)用及環(huán)境保護(hù)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但其合成、純化困難，因此中國(guó)還依靠進(jìn)口。就日本國(guó)內(nèi)的筆記本電腦的生產(chǎn)情況以及今后的預(yù)測(cè)，每年筆記本電腦的生產(chǎn)增長(zhǎng)率10%-30%，2005年可達(dá)12068萬臺(tái)，按照每年的產(chǎn)量增長(zhǎng)情況，只就筆記本電腦一項(xiàng)，世界各國(guó)的筆記本產(chǎn)量和鋰電池用量就可想而知。鋰離子電池性能的進(jìn)一步提高，主要依賴于電池中各組成材料的改進(jìn)開發(fā)及電池工藝的革新。Manthiram和J.小到從電子表手表、CD唱機(jī)、移動(dòng)電話、MP3、MP4、照相機(jī)、攝影機(jī)、各種遙控器、剔須刀、手槍鉆、兒童玩具等。3，電動(dòng)自行車的應(yīng)用；充電電量?jī)?chǔ)存溫度0℃儲(chǔ)存溫度25℃儲(chǔ)存溫度40℃儲(chǔ)存溫度60℃

40％～60％2％/年4％/年15％/年25％/年

100％6％/年20％/年35％/年80％/6月隨著手機(jī)向輕、薄、短、小化的發(fā)展，對(duì)體積小而容量大的電池需要也就相應(yīng)增強(qiáng)，這樣就可以省下大量的空間。截止2003年10月我國(guó)已經(jīng)有手機(jī)2.如有條件可儲(chǔ)存于冰箱。負(fù)極材料碳負(fù)極材料碳負(fù)極鋰離子電池在安全和循環(huán)壽命方面顯示出較好的性能，并且碳材料價(jià)廉、無毒，目前商品鋰離子電池廣泛采用碳負(fù)極材料。眾所周知，碳材料種類繁多，目前研究得較多且較為成功的碳負(fù)極材料有石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纖維、裂解聚合物和裂解碳等[5.6.7]。在眾多的用作碳負(fù)極的材料中，天然石墨具有低的嵌入電位，優(yōu)良的嵌入－脫嵌性能，是良好的鋰離子電池負(fù)極材料。通常鋰在碳材料中形成的化合物的理論表達(dá)式為L(zhǎng)iC6第18頁，共31頁。小到從電子表手表、CD唱機(jī)、移動(dòng)電話、MP3、MP4、照相機(jī)、攝影機(jī)、各種遙控器、剔須刀、手槍鉆、兒童玩具等。充電電量?jī)?chǔ)存溫度0℃儲(chǔ)存溫度25℃儲(chǔ)存溫度40℃儲(chǔ)存溫度60℃

40％～60％2％/年4％/年15％/年25％/年

100％6％/年20％/年35％/年80％/6月所以，鋰離子電池代替電動(dòng)自行車的鉛酸電池是必然趨勢(shì)，這樣電動(dòng)自行車的輕快、便捷、安全、廉價(jià)將會(huì)受到越來越多人士的歡迎。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。智能型鋰離子電池由于有內(nèi)建的監(jiān)測(cè)電路，這個(gè)監(jiān)測(cè)電路的工作電流甚至高于自放電電流。3，電動(dòng)自行車的應(yīng)用；如有條件可儲(chǔ)存于冰箱。1997年10月廣東已經(jīng)引進(jìn)了20輛電動(dòng)汽車，把佛山作為電動(dòng)汽車的推廣示范城市。不耐受過充：過充電時(shí)，過量嵌入的鋰離子會(huì)永久固定于晶格中，無法再釋放，可導(dǎo)致電池壽命縮短。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。鋰離子電池電解質(zhì)材料——六氟磷酸鋰1982年伊利諾伊理工大學(xué)(theIllinoisInstituteofTechnology)的R.電動(dòng)汽車發(fā)展的預(yù)測(cè)；不耐受過放：過放電時(shí)，電極脫嵌過多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，從而縮短壽命。智能型鋰離子電池由于有內(nèi)建的監(jiān)測(cè)電路，這個(gè)監(jiān)測(cè)電路的工作電流甚至高于自放電電流。電介質(zhì)材料鋰離子電池電解質(zhì)材料——六氟磷酸鋰1、項(xiàng)目介紹（1）項(xiàng)目概況六氟磷酸鋰(LiPF6)是鋰離子電池的電解質(zhì)材料，也是鋰離子電池的關(guān)鍵組成部分，約占鋰離子電池電芯材料成本的15%左右，是目前唯一生產(chǎn)工藝最為成熟、電池性能最可靠并獲得最活化速度快、放電比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，與正負(fù)極材料匹配性離能好，在性能、應(yīng)用及環(huán)境保護(hù)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但其合成、純化困難，因此中國(guó)還依靠進(jìn)口。本項(xiàng)目經(jīng)過大量試驗(yàn)，開發(fā)出了特有的固相反應(yīng)技術(shù)，制備和生產(chǎn)高純度的六氟磷酸鋰，簡(jiǎn)化生產(chǎn)和提純工藝，降低了投資成本與生產(chǎn)成本，能為國(guó)內(nèi)鋰離子電池生產(chǎn)廠家提供高性價(jià)比電解質(zhì)材料，（2）市場(chǎng)前景從綜合性能的角度考慮，鋰離子電池是目前最有發(fā)展前途和應(yīng)用前景的高能二次電池。但由于鋰離子電池的商業(yè)化至今只有十多年的時(shí)間，電池及相關(guān)材料的生產(chǎn)工藝技術(shù)還不十分成熟，因而鋰離子電池技術(shù)還具有很大的開發(fā)潛力。鋰離子電池性能的進(jìn)一步提高，主要依賴于電池中各組成材料的改進(jìn)開發(fā)及電池工藝的革新。由于電解質(zhì)材料在電池成本中所占比重較大，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)顯得尤為重要。2007全球鋰離子電池行業(yè)消耗六氟磷酸鋰約1300噸，我國(guó)消耗六氟磷酸鋰約400噸。考慮到電動(dòng)車的潛在發(fā)展，預(yù)計(jì)2008年全球需消耗六氟磷酸鋰約2000噸，中國(guó)約800噸。作為一種高科技含量、高附加值的產(chǎn)品，隨著鋰離子電池的發(fā)展，其需求量將進(jìn)一步擴(kuò)大，其市場(chǎng)前景非常廣闊。（3）經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)以每噸產(chǎn)品成本18萬元、銷售價(jià)格每噸30萬元計(jì)算。年產(chǎn)100噸，可以實(shí)現(xiàn)年銷售3000萬元，年利稅1200萬元。（4）投資估算建設(shè)年產(chǎn)100噸鋰離子電池用六氟磷酸鋰材料中試生產(chǎn)線，需要采用水電齊備標(biāo)準(zhǔn)廠房1000平方米,設(shè)備投入1000萬元,流動(dòng)資金2000萬元。2、合作方式股份合作第19頁，共31頁。優(yōu)點(diǎn)高能量密度：因電極材料不同而不同，按質(zhì)量計(jì)算，可達(dá)150～200Wh/kg(540～720kJ/kg)；按體積計(jì)算，可達(dá)250～530Wh/L(0.9～1.9kJ/cm3)。

開路電壓高：因電極材料不同而不同，可達(dá)3.3～4.2V。

輸出功率大：因電極材料不同而不同，可達(dá)300～1500W/kg(@20秒)。

無記憶效應(yīng)

低自放電：<5％～10％/月。智能型鋰離子電池由于有內(nèi)建的監(jiān)測(cè)電路，這個(gè)監(jiān)測(cè)電路的工作電流甚至高于自放電電流。

工作溫度范圍寬：可在-20℃～60℃之間正常工作。

充、放電速度快

因此，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、軍工產(chǎn)品、航空產(chǎn)品等。第20頁，共31頁。缺點(diǎn)缺點(diǎn)

衰老：與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會(huì)緩慢衰退，與使用次數(shù)無關(guān)，而與溫度有關(guān)?？赡艿臋C(jī)制是內(nèi)阻逐漸升高，所以，在工作電流高的電子產(chǎn)品更容易體現(xiàn)。用鈦酸鋰取代石墨似乎可以延長(zhǎng)壽命。

儲(chǔ)存溫度與容量永久損失速度的關(guān)系充電電量?jī)?chǔ)存溫度0℃儲(chǔ)存溫度25℃儲(chǔ)存溫度40℃儲(chǔ)存溫度60℃

40％～60％2％/年4％/年15％/年25％/年

100％6％/年20％/年35％/年80％/6月

回收率：大約有1％的出廠新品因種種原因需要回收。

不耐受過充：過充電時(shí)，過量嵌入的鋰離子會(huì)永久固定于晶格中，無法再釋放，可導(dǎo)致電池壽命縮短。

不耐受過放：過放電時(shí)，電極脫嵌過多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，從而縮短壽命。

需要多重保護(hù)機(jī)制：由于錯(cuò)誤使用會(huì)減少壽命，甚至可能導(dǎo)致爆炸，所以，鋰離子電池設(shè)計(jì)時(shí)增加了多種保護(hù)機(jī)制。

保護(hù)電路：防止過充、過放、過載、過熱。

排氣孔：避免電池內(nèi)部壓強(qiáng)過大。

隔膜：有較高的抗穿刺強(qiáng)度，防止內(nèi)部短路；在電池內(nèi)部溫度過高時(shí)還能融化，阻止鋰離子通過，阻滯電池反應(yīng)，升高內(nèi)阻(至2kΩ)。

排氣孔、隔膜一旦激活，將使電池永久失效。第21頁，共31頁。使用充電時(shí)不得高于最大充電電壓，放電時(shí)不得低于最小工作電壓。

無論任何時(shí)間鋰離子電池都必須保持最小工作電壓以上,低電壓的過放或自放電反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鋰離子活性物質(zhì)分解破壞，并不一定可以還原。

鋰離子電池任何形式的過充都會(huì)導(dǎo)致電池性能受到嚴(yán)重破壞，甚至爆炸。鋰離子電池在充電過程必需避免對(duì)電池產(chǎn)生過充。

不要經(jīng)常深放電、深充電。不過，每經(jīng)歷約30個(gè)充電周期后，電量檢測(cè)芯片會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一次深放電、深充電，以準(zhǔn)確評(píng)估電池的狀態(tài)。

避免高溫，輕則縮短壽命，嚴(yán)重者可引發(fā)爆炸。如有條件可儲(chǔ)存于冰箱。筆記本電腦如果正在使用交流電，請(qǐng)拔除鋰離子電池條，以免受到電腦產(chǎn)熱的影響。

避免凍結(jié)，但多數(shù)鋰離子電池電解質(zhì)溶液的冰點(diǎn)在-40℃，不容易凍結(jié)。

如果長(zhǎng)期不用，請(qǐng)以40％～60％的充電量?jī)?chǔ)存。電量過低時(shí)，可能因自放電導(dǎo)致過放。

由于鋰離子電池不使用時(shí)也會(huì)自然衰老，因此，購(gòu)買時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要量選購(gòu)，不宜過多購(gòu)入第22頁，共31頁。應(yīng)用前景1，移動(dòng)電話的應(yīng)用；

隨著手機(jī)向輕、薄、短、小化的發(fā)展，對(duì)體積小而容量大的電池需要也就相應(yīng)增強(qiáng)，這樣就可以省下大量的空間。要使手機(jī)可以最小型化，只有鋰離子電池是最好的電源。截止2003年10月我國(guó)已經(jīng)有手機(jī)2.45億部，每年新手機(jī)的用戶還以15%-25%左右的速度在增加。而且每年新手機(jī)的更換率大約在25%左右，所以鋰離子電池的需求就越來越大。

第23頁，共31頁。2，筆記本電腦的應(yīng)用；

就日本國(guó)內(nèi)的筆記本電腦的生產(chǎn)情況以及今后的預(yù)測(cè)，每年筆記本電腦的生產(chǎn)增長(zhǎng)率10%-30%，2005年可達(dá)12068萬臺(tái)，按照每年的產(chǎn)量增長(zhǎng)情況，只就筆記本電腦一項(xiàng)，世界各國(guó)的筆記本產(chǎn)量和鋰電池用量就可想而知。

第24頁，共31頁。3，電動(dòng)自行車的應(yīng)用；

根據(jù)有關(guān)方面預(yù)測(cè)，我國(guó)人口總量將控制在16-17億之間。是美國(guó)人口的6倍，德國(guó)的20倍。在美國(guó)平均1.5人1輛汽車，德國(guó)平均1.33人1輛汽車，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的擁有量不斷增加。如果達(dá)到美國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，那么中國(guó)的氣油消耗量將相當(dāng)于目前中東地區(qū)產(chǎn)油量的2倍。顯然是不現(xiàn)實(shí)的，應(yīng)當(dāng)依靠其它方法來解決。因此，電動(dòng)自行車開始是目前較為理想的選擇之一。因?yàn)殡妱?dòng)自行車在行使時(shí)不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。我國(guó)的自行車擁有量相當(dāng)大，號(hào)稱自行車王國(guó)。從電動(dòng)車的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化從電動(dòng)自行車開始起步更符合中國(guó)國(guó)情，從居民平均收入水平和大眾需求來看，電動(dòng)自行車更容易普及和推廣，電動(dòng)自行車是助力自行車最好的替代品。從交通方面而言，我國(guó)有關(guān)部門在2003年已有定論，電動(dòng)自行車可不作為機(jī)動(dòng)車使用。但目前我國(guó)的電動(dòng)自行車大部分還是采用的鉛酸電池作為動(dòng)力。則電池的本身質(zhì)量就有十幾公斤。如果采用鋰離子電池，電池的質(zhì)量只有約3公斤。所以，鋰離子電池代替電動(dòng)自行車的鉛酸電池是必然趨勢(shì)，這樣電動(dòng)自行車的輕快、便捷、安全、廉價(jià)將會(huì)受到越來越多人士的歡迎。以北京市為例，隨著交通部門對(duì)電動(dòng)自行車限制的放松，市場(chǎng)需求將達(dá)到100萬輛。全國(guó)的需求量就可想而知了，

第25頁，共31頁。4，電動(dòng)汽車的應(yīng)用；

對(duì)我國(guó)而言，汽車污染日益嚴(yán)重，尾氣、噪音等對(duì)環(huán)境的破壞到了必須加以控制和治理的程度，特別是在一些人口稠密、交通擁擠的大中城市情況變得更加嚴(yán)重。以我國(guó)上海市為例；1995年市中心城區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車的CO、CxHy、NOx、排污負(fù)荷分別占該城區(qū)內(nèi)相應(yīng)排放總量的76%、93%、和44%。如不采用措施，預(yù)計(jì)到2010年機(jī)動(dòng)車排污負(fù)荷將進(jìn)一