鋰電池教學(xué)講解課件

報告人學(xué)號2013.11.19鋰電池原理及材料1.報告人鋰電池原理及材料1.鋰電池簡介鋰電池工作原理鋰電池應(yīng)用鋰電池材料12342.鋰電池簡介鋰電池工作原理鋰電池應(yīng)用鋰電池材料12342.鋰電池：是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫姡沟娩嚱饘俚募庸?、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。鋰電池鋰金屬電池鋰離子電池液態(tài)鋰離子電池聚合物鋰離子電池鋰電池簡介3.鋰電池：是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液鋰電池工作原理鋰金屬電池：鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

放電反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2

最主要的區(qū)別是金屬鋰電池是一次性電池，鋰離子電池是可充電循環(huán)電池！但是，可充鋰金屬電池1996年研制成功，是可充電池的第五代產(chǎn)品，解決了鋰離子電池難以解決的安全性的關(guān)鍵，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優(yōu)于鋰離子電池。是國際綠色能源的前沿和高新技術(shù)，項目成本低，技術(shù)含量高，目前只有美國、日本和以色列等少數(shù)國家的幾個公司在生產(chǎn)。4.鋰電池工作原理鋰金屬電池：最主要的區(qū)別是金屬鋰電池的分類：一次電池（干電池）二次電池（充電電池或蓄電池）鉛酸電池鎘鎳電池鎳氫電池鋰離子電池液態(tài)鋰離子電池聚合物態(tài)鋰離子電池另外還有燃料電池、太陽能電池等等電池5.電池的分類：一次電池（干電池）二次電池（充電電池或蓄電池）鉛常見可充電電池性能比較電池體系組成環(huán)保性能

電池電壓（V）能量密度充電循環(huán)自放電率負極電解液正極Wh/kgWh/L鋰離子電池碳LiPF6LiMn2O4或LiCoO2綠色環(huán)保3.6130-150350-400≥5008%鉛酸電池PbH2SO4PbO2鉛污染嚴(yán)重2.030-5050-80300-50020%鎳鎘電池CdKOHNiOOH鎘污染嚴(yán)重1.250-60130-150400-60025%鎳氫電池儲氫材料KOHNiOOH環(huán)保1.260-70190-200≥50010%6.常見可充電電池性能比較電池體系環(huán)保性能電池能量密度充電循環(huán)液態(tài)鋰離子電池與聚合物鋰離子電池的異同：◆相同點：正負極活性物質(zhì)相同；電池工作原理相同；單體電池工作電壓相同。◆不同點：液態(tài)鋰離子電池的電解液是液態(tài)的有機電解液；聚合物鋰離子電池的電解質(zhì)是將液態(tài)的有機電解液吸附在一種聚合物基質(zhì)上，所以被稱為凝膠聚合物電解質(zhì)?！魞?yōu)缺點比較：液態(tài)鋰離子電池的功率較聚合物鋰離子電池大的多，反映在電動自行車上，液態(tài)比聚合物有更強的爬坡能力；液態(tài)鋰離子電池的價格較聚合物鋰離子電池便宜。聚合物鋰離子電池由于不存在游離的電解液，不存在漏液的情況。7.液態(tài)鋰離子電池與聚合物鋰離子電池的異同：◆相同點：正負極活性鋰電池工作原理（以18650為例）18650鋰電池中的18650這幾個數(shù)字，代表外表尺寸：18指電池直徑18.0mm，650指電池高度65.0mm。常見的18650電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰和鎳氫電池。電壓及容量規(guī)格為鎳氫電池電壓為1.2V常見容量為2500mAh，鋰離子電池電壓為3.6V常見容量為1500mAh-3100mAh。8.鋰電池工作原理（以18650為例）18650鋰電正極活性物質(zhì)（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2)導(dǎo)電劑、溶劑、粘合劑、基體負極活性物質(zhì)（石墨、MCMB（石墨化中間相碳微珠）)粘合劑、溶劑、基體隔膜（PP（高聚物聚丙烯）+PE（聚乙烯））電解液（LiPF6+DMCECEMC)外殼9.正極9.鋰電池工作原理鋰離子電池特征及基本信息：1、鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。2、正極采用鋰化合物L(fēng)iXCoO2、LiXFePO4或LiXMnO2負極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。3、電解質(zhì)為溶解有鋰鹽LiPF6、LiAsF6（六氟合砷(V)酸鋰）等有機溶液。4、在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，被形象的稱為“搖椅電池”。5、充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)，放電時則相反。10.鋰電池工作原理鋰離子電池特征及基本信息：10.鋰電池工作原理當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子脫出，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。

當(dāng)對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又回到正極。在電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態(tài)——搖椅式電池。充電過程11.鋰電池工作原理當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰電池工作原理正極反應(yīng)：LiCoO2——Li1-xCoO2+xLi++xe-負極反應(yīng)：C+xLi++xe-——CLix

電池總反應(yīng)：LiCoO2+C——Li1-xCoO2+CLix

放電時發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。12.鋰電池工作原理正極反應(yīng)：12.放電時鋰離子不能完全移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證下次充電時的鋰離子暢通嵌入通道。否則，電池壽命就相當(dāng)短。

為了保證碳層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是鋰離子電池不能過放電。例如LiCoO2，其放電終止最低電壓通常為3.0V/節(jié)，最低也不能低于2.7V/節(jié)；同時，最高充電終止應(yīng)為4.2V，不能過充，否則會因正極LiCoO2中的Li離子拿走太多時，造成所謂的“晶型癱塌”，而使電池表現(xiàn)出壽命終結(jié)狀態(tài)。

由此可見，鋰離子充/放電控制精度要求相當(dāng)高，既不能過充，也不能過放。否則都將影響電池壽命，這是由鋰離子電池工作機理所決定的。鋰電池工作原理13.放電時鋰離子不能完全移向正極，必須保留一部分鋰鋰離子電池的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：電壓高（單體電池的工作電壓高達3.6v~3.8v遠高于鎳氫和鎳鎘電池的1.2V電壓）比能量大（容量密度大,其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5~2.5倍,或者更高）循環(huán)壽命長，安全性能好，無公害，無記憶效應(yīng)，自放電?。ㄗ苑烹娦?在放置很長時間后其容量損失也很小）有些體系可快速充放電，工作溫度范圍寬，厚度小，能做得更薄，重量輕，容量大。缺點：電池成本較高，有些材料不能大電流放電，需要保護線路控制（過充保護、過放保護）。14.鋰離子電池的優(yōu)缺點：優(yōu)點：14.記憶效應(yīng)：是針對鎳鎘電池而言的。理由：由于傳統(tǒng)工藝中負極為燒結(jié)式，鎘晶粒較粗，如果鎳鎘電池在它們被完全放電之前就重新充電，鎘晶粒容易聚集成塊而使電池放電時形成次級放電平臺。電池會儲存這一放電平臺并在下次循環(huán)中將其作為放電的終點，盡管電池本身的容量可以使電池放電到更低的平臺上。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應(yīng)，使電池的容量變得更低。

15.記憶效應(yīng)：是針對鎳鎘電池而言的。15.鋰電池的應(yīng)用16.鋰電池的應(yīng)用16.鋰離子電池的應(yīng)用1、鋰離子電池在手機和筆記本電腦中應(yīng)用隨著手機筆記本電腦向輕、薄、小化的發(fā)展，人們對電池的穩(wěn)定性、連續(xù)使用時間、體積、充電次數(shù)和充電時間等的要求越來越高，要使手機和筆記本電腦可以最小型化，只有鋰離子電池是最好的電源。2、鋰離子電池在電動車（EV）行業(yè)的應(yīng)用目前混合動力電動汽車在要求使用高可靠性的雙路用備用電源上連接數(shù)十個電化學(xué)電容器。而且隨著汽車電子控制線路的增多，這種備用電源要求具有越來越大的容量，與現(xiàn)在的電化學(xué)電容器相比，新型鋰離子電池具有相同的高可靠性，而且能夠大幅降低占用空間等特點。而且主電源鎳氫電池也正在被鋰離子電池取代。17.鋰離子電池的應(yīng)用1、鋰離子電池在手機和筆記本電腦中應(yīng)用2、鋰鋰離子電池的應(yīng)用3、在航空航天方面的應(yīng)用由于鋰離子電池具有很強的優(yōu)勢，因此目前已經(jīng)用于火星著陸器和火星漫游器。在今后的系列探測任務(wù)也將采用鋰離子電池。除了美國航空航天局的星際探索外，其它航天組織也在考慮將鋰離子電池應(yīng)用于航天任務(wù)中。目前鋰離子電池在航空領(lǐng)域的主要作用是為發(fā)射和飛行中的校正、地面操作提供支持；同時有利于提高一次電池的功效并支持夜間作業(yè)。神七已經(jīng)用了鋰離子電池作為主電源。4、在軍事方面的應(yīng)用對于軍隊而言，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；由于鋰離子電池具有非常好的性能，能量密度高，質(zhì)量輕，可促進武器的靈活性。18.鋰離子電池的應(yīng)用3、在航空航天方面的應(yīng)用18.鋰離子電池的應(yīng)用5、其它方面的應(yīng)用小到從電子表、CD唱機、移動電話、MP3、MP4、照相機、攝影機、各種遙控器、剔須刀、手槍鉆、兒童玩具等。大到從醫(yī)院、賓館、超市、電話交換機等場合的應(yīng)急電源，電動工具。由此可見，鋰離子電池在目前的應(yīng)用將會隨著這些電器設(shè)備的使用和普及，將會有廣泛的前景。19.鋰離子電池的應(yīng)用5、其它方面的應(yīng)用19.電池一般都是由正極，負極，隔膜，電解液等基本的元素組成。正極：鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)等；負極：人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等等；隔膜：聚乙烯(PE)、聚丙稀(PP)等組成的單層或者多層的微多孔薄膜；電解液：碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲基碳酸酯(DMC)、二乙基碳酸酯(DEC)、甲基乙基碳酸酯(MEC)等組成的一元、二元或者三元的混合物。鋰離子電池材料：20.電池一般都是由正極，負極，隔膜，電解液等基本的元素組成。鋰離21

正極材料是鋰離子電池中最為關(guān)鍵的原材料，直接決定了電池的安全性能和電池能否大型化，約占鋰離子電池電芯材料成本的30%左右。按正極材料分類，目前主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰四種鋰電池。鋰離子電池材料：21.21正極材料是鋰離子電池中最為關(guān)鍵的原材料22目前商業(yè)化的鋰離子電池中基本上選用層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰（LiCoO2）作為正極材料。其理論容量為274mAh/g，實際容量為140mAh/g左右，也有報道實際容量已達155mAh/g。相比較而言，鈷酸鋰最大的問題是安全性差（150度高溫時易爆炸）、成本高（鈷價約50萬元/噸，含鈷60%的鈷酸鋰超過40萬元/噸）、循環(huán)壽命短。錳酸鋰安全性比鈷酸鋰好很多，但高溫環(huán)境的循環(huán)壽命差（500次）。磷酸鐵鋰因為高放電功率、成本低（約18~30萬元/噸）、可快速充電且循環(huán)壽命長（1000次以上），在高溫高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高（300度高溫以上才有安全隱患），具有很好的安全性能，因而是目前最理想的動力汽車用鋰電正極材料。鈷鎳錳酸鋰，也就是三元材料，融合了鈷酸鋰和錳酸鋰的優(yōu)點，不論在小型低功率電池，還是在大功率動力電池上都有應(yīng)用。鋰離子電池材料：22.22目前商業(yè)化的鋰離子電池中基本上選用層市場上所售的鋰離子電池大多是以鈷酸鋰為正極，石墨系列為負極的電池，但也包括其他很多材料。鈷酸鋰最大的問題是安全性差（150度高溫時易爆炸）、成本高（鈷價約50萬元/噸，含鈷60%的鈷酸鋰超過40萬元/噸）、循環(huán)壽命短。LiFePO4,Li-Ni-Mn-O.Li-Ni-Co-Mn-O,Li-Mn-O，Li-Co-Ni-O等正極材料是目前研究的重點，Li-Ti-O和硅基，錫基材料是目前負極材料研究的重點。23.市場上所售的鋰離子電池大多是以鈷酸鋰為正極，石墨系列為負極的幾種主要材料介紹1、LiMn2O4

尖晶石型LiMn2O4因其資源豐富，具有價位低、安全性好、結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定以及綠色無污染等優(yōu)點，引起人們的普遍關(guān)注，有望成為替代層狀鈷酸鋰、鎳酸鋰的新型鋰離子電池材料，是需要關(guān)注的主要材料之一。2、LiFePO4

因為高放電功率、成本低（約18~30萬元/噸）、可快速充電且循環(huán)壽命長（1000次以上），在高溫高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高（300度高溫以上才有安全隱患），具有很好的安全性能，因而是目前最理想的動力汽車用鋰電正極材料。是一種頗具潛力的鋰離子電池正極材料，具有價格、環(huán)境等方面的優(yōu)勢，在動力電池的應(yīng)用前景十分廣闊。

鈷鎳錳酸鋰，也就是三元材料，融合了鈷酸鋰和錳酸鋰的優(yōu)點，不論在小型低功率電池，還是在大功率動力電池上都有應(yīng)用。24.幾種主要材料介紹1、LiMn2O424.幾種主要材料介紹3、Li4Ti5O12負極材料

當(dāng)前,碳負極鋰離子蓄電池已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是它也還存在缺點，如碳負極的電位與鋰的電位很接近，電池過充時，金屬鋰可能在碳電極表面析出而引發(fā)安全問題。而鈦酸鋰具有充放電過程中骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化的“零應(yīng)變”特性，嵌鋰電位高(1.55Vvs.Li/Li+)而不易引起金屬鋰析出、庫侖效率高、鋰離子擴散系數(shù)(為2×10-8cm2/s)比碳負極高一個數(shù)量級等優(yōu)良特性，具備了下一代鋰離子蓄電池必需的充電次數(shù)更多、充電過程更快、更安全的特性。炭包碳材料

利用天然石墨資源，進行處理，達到甚至超過現(xiàn)有人工石墨材料作為離離子電池負極材料。25.幾種主要材料介紹3、Li4Ti5O12負極材料25.石墨資源我國石墨資源豐富，儲量居世界第一位。全國20個省(自治區(qū))有石墨產(chǎn)出，探明儲量的礦區(qū)有91處，礦物總保有儲量1.73億噸。石墨礦床分布在黑龍江、湖南、山東、內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林等省。黑龍江石墨儲量居全國第一，占全國的64.1％。26.石墨資源我國石墨資源豐富，儲量居世界第一位鋰資源鋰礦資源的種類主要有礦石鋰(Li2O)和鹵水鋰礦(鋰以氯化物存在)。國外Li2O總儲量為2800萬噸以上，主要產(chǎn)于美國、加拿大、智利、前蘇聯(lián)及津巴布韋等地區(qū)。鋰礦共生石鹽、鉀鹽、鎂鹽、硼等，常見的有鋰藍鐵礦(triphylite)、磷鋰礦(lithiophilite)。我國是亞洲惟一盛產(chǎn)鋰礦的國家，主要分布在9個省區(qū)。其中礦石鋰主要分布在7個省區(qū)。以保有儲量(Li2O)排序依次為：四川、江西、湖南、新疆。27.鋰資源鋰礦資源的種類主要有礦石鋰(Li2O)和鈷資源鈷在自然界分布很廣。但在地殼中的平均含鈷量僅為0.0023％，占第34位。我國鈷資源相對加拿大、俄羅斯、澳大利亞這些資源大國而言較貧乏，而且還存在著一些不利的特點：低品位的貧礦占很大比例，大量富礦儲量壓在開采區(qū)下部，因而制約產(chǎn)量的進一步增長。目前國內(nèi)每噸鈷的生產(chǎn)成本為10萬一15萬元，而世界產(chǎn)鈷大國由于礦石品位高，工藝簡單，鈷的成本不超過2000美元／噸，大大低于國內(nèi)開發(fā)成本。28.鈷資源鈷在自然界分布很廣。但在地殼中的平均含鎳資源1992年全世界探明鎳金屬儲量為5000萬噸，主要分布在中北美洲和中亞地區(qū)。我國鎳礦資源較豐富，探明鎳金屬儲量866萬噸，保有儲量785萬噸，居世界第5位，主