锂电池PPT

锂离子电池材料：
正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料，直接决定
了电池的安全性能和电池能否大型化，约占锂离子电池电芯材料成 本的30%左右。按正极材料分类，目前主要有钴酸锂、锰酸锂、三 元材料和磷酸铁锂四种锂电池。
正极材料 钴酸锂 钴镍锰酸锂 锰酸锂 磷酸铁锂
工作电压 电容率 （mAh/g） 循环寿命 （次） 价格
锂离子电池材料：
电池一般都是由正极，负极，隔膜，电解液等基本的元素组成。 正极：钴酸锂 ( LiCoO2 )、镍酸锂 ( LiNiO2 )、锰酸锂 (LiMn2O4 )等； 负极：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 ) 等组成的单层或者多层的微多孔 薄膜； 电解液：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 )等组成的一 元、二元或者三元的混合物。
锂离子电池的应用
3、在航空航天方面的应用 由于锂离子电池具有很强的优势，因此目前已经用于火星着陆 器和火星漫游器。在今后的系列探测任务也将采用锂离子电池。 除了美国航空航天局的星际探索外，其它航天组织也在考虑将锂 离子电池应用于航天任务中。目前锂离子电池在航空领域的主要 作用是为发射和飞行中的校正、地面操作提供支持；同时有利于 提高一次电池的功效并支持夜间作业。神七已经用了锂离子电池 作为主电源。 4、在军事方面的应用 对于军队而言，目前锂离子电池除了用于军事通信外，还用于 尖端武器，如鱼雷、潜艇、导弹等；由于锂离子电池具有非常好 的性能，能量密度高，质量轻，可促进武器的灵活性。
电池的分类：
一次电池（干电 池） 电 池 二次电池（充电电 池或蓄电池） 铅酸电池 镉镍电池 镍氢电池 锂离子 电池 液态锂离子 电池
聚合物态锂离 子电池
另外还有燃料电池、太阳能电池等等
常见可充电电池性能比较
电池体系
组成 负极 电解液 锂离子电 池 铅酸电池 正极 LiMn2O4 或 LiCoO2 PbO2
几种主要材料介绍
3、Li4Ti5O12负极材料 当前, 碳负极锂离子蓄电池已经得到了广泛的应用，但是它也还 存在缺点，如碳负极的电位与锂的电位很接近，电池过充时，金属锂 可能在碳电极表面析出而引发安全问题。而钛酸锂具有充放电过程中 骨架结构几乎不发生变化的“零应变”特性，嵌锂电位高(1.55V vs. Li/Li+)而不易引起金属锂析出、库仑效率高、锂离子扩散系数 (为 2×10-8 cm2/s)比碳负极高一个数量级等优良特性，具备了下一代锂 离子蓄电池必需的充电次数更多、充电过程更快、更安全的特性。 炭包碳材料 利用天然石墨资源，进行处理，达到甚至超过现有人工石墨材料 作为离离子电池负极材料。
锂电池工作原理
当对电池进行充电时，电 池的正极上有锂离子脱出，生 成的锂离子经过电解液运动到 负极。 当对电池进行放电时（即 我们使用电池的过程），嵌在 负极碳层中的锂离子脱出，又 回到正极。 在电池的充放电过程中， 锂离子处于从正极→负极→正 极的运动状态——摇椅式电池。
充电过程
锂电池工作原理
环保性能
电池 电压 （V）
能量密度 Wh/kg 130150 30-50 Wh/L 350400 50-80 130150 190200
充电循 环
自放电 率
碳
LiPF6
绿色环保 铅污染严 重 镉污染严 重
3.6
≥500
8%
Pb
H2SO4
2.0
300-500
20%
镍镉电池
Cd
KOH
NiOOH
1.2
50-60
400-600
25%
镍氢电池
储氢 材料
KOH
NiOOH
环保
1.2
60-70
≥500
10%
液态锂离子电池与聚合物锂离子电池的异同：
◆相同点：正负极活性物质相同； 电池工作原理相同； 单体电池工作电压相同。 ◆不同点：液态锂离子电池的电解液是液态的有机电解液；聚合 物锂离子电池的电解质是将液态的有机电解液吸附在一种聚合物 基质上，所以被称为凝胶聚合物电解质。 ◆优缺点比较：液态锂离子电池的功率较聚合物锂离子电池大的 多，反映在电动自行车上，液态比聚合物有更强的爬坡能力；液 态锂离子电池的价格较聚合物锂离子电池便宜。聚合物锂离子电 池由于不存在游离的电解液，不存在漏液的情况。
锂离子电池的优缺点：
优点： 电压高（单体电池的工作电压高达3.6v~3.8v 远高于镍氢和镍镉电池的1.2V 电压） 比能量大（容量密度大,其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5~2.5 倍,或者更高） 循环寿命长，安全性能好，无公害，无记忆效应， 自放电小（自放电小,在放置很长时间后其容量损失也很小） 有些体系可快速充放电，工作温度范围宽，厚度小，能做得更薄， 重量轻，容量大。
几种主要材料介绍
1、LiMn2O4 尖晶石型LiMn2O4 因其资源丰富，具有价位低、安全性好、结构 相对稳定以及绿色无污染等优点，引起人们的普遍关注，有望成为替 代层状钴酸锂、镍酸锂的新型锂离子电池材料，是需要关注的主要材 料之一。 2、LiFePO4 因为高放电功率、成本低（约 18~30 万元/吨）、可快速充电且 循环寿命長（1000 次以上） ，在高温高热环境下的稳定性高（300 度高温以上才有安全隐患） ，具有很好的安全性能，因而是目前最理 想的动力汽车用锂电正极材料。是一种颇具潜力的锂离子电池正极材 料，具有价格、环境等方面的优势，在动力电池的应用前景十分广阔 。 钴镍锰酸锂，也就是三元材料，融合了钴酸锂和锰酸锂的优点， 不论在小型低功率电池，还是在大功率动力电池上都有应用。
缺点：电池成本较高，有些材料不能大电流放电，需要保护线路控 制（过充保护、过放保护）。
记忆效应：是针对镍镉电池而言的。 理由：由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它 们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时 形成次级放电平台。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作 为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。 同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使 电池的容量变得更低。
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市场上所售的锂离子电池大多是以钴酸锂为正极， 石墨系列为负极的电池，但也包括其他很多材料。 钴酸锂最大的问题是安全性差（150 度高温时易爆 炸） 、成本高（钴价约 50万元/吨，含钴 60%的 钴酸锂超过 40万元/吨） 、循环寿命短。 LiFePO4 , Li-Ni-Mn-O. Li-Ni-Co-Mn-O, Li-Mn-O ，LiCo-Ni-O等正极材料是目前研究的重点，Li-Ti-O 和 硅基，锡基材料是目前负极材料研究的重点。
锂电池原理及材料
报告人 学号 2013.11.19
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锂电池简介
锂电池工作原理
锂电池应用 锂电池材料
锂电池简介
锂电池：是一类由锂金属或锂合金为负极材料 、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂 电池来自于伟大的发明家爱迪生。 由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金 属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。 所以，锂电池长期没有得到应用。现在锂电池 已经成为了主流。
锂金属电池
锂电池
锂离子电池
液态锂离子电池
聚合物锂离子电池
锂电池工作原理
锂金属电池： 锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或 其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
放电反应：Li+MnO2=LiMnO2
最主要的区别是金属锂电池是一次性电池，锂离子电池 是可充电循环电池！ 但是，可充锂金属电池1996年研制成功 ，是可充电池的第五代产品，解决了锂离子电池难以解决的 安全性的关键，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比 均优于锂离子电池。是国际绿色能源的前沿和高新技术，项 目成本低，技术含量高，目前只有美国、日本和以色列等少 数国家的几个公司在生产。
正极反应： LiCoO2—— Li1-xCoO2 + xLi+ + xe负极反应： C + xLi+ + xe- —— CLix 电池总反应： LiCoO2 + C —— Li1-xCoO2 + CLix 放电时发生上述反应的逆反应。
锂电池工作原理
放电时锂离子不能完全移向正极，必须保留一部分锂离子在负极， 以保证下次充电时的锂离子畅通嵌入通道。否则，电池寿命就相当短。 为了保证碳层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最 低电压，也就是锂离子电池不能过放电。 例如 LiCoO2 ，其放电终止最低电压通常为3.0V/节，最低也不能低 于2.7V/节；同时，最高充电终止应为4.2V，不能过充，否则会因正极 LiCoO2中的Li离子拿走太多时，造成所谓的“晶型瘫塌”，而使电池表 现出寿命终结状态。 由此可见，锂离子充/放电控制精度要求相当高，既不能过充，也不 能过放。否则都将影响电池寿命，这是由锂离子电池工作机理所决定的 。
锂电池的应用
锂离子电池的应用
1、锂离子电池在手机和笔记本电脑中应用 随着手机笔记本电脑向轻、薄、小化的发展，人们对电池的稳定 性、连续使用时间、体积、充电次数和充电时间等的要求越来越高， 要使手机和笔记本电脑可以最小型化，只有锂离子电池是最好的电源 。
2、锂离子电池在电动车（EV）行业的应用 目前混合动力电动汽车在要求使用高可靠性的双路用备用电源上连 接数十个电化学电容器。而且随着汽车电子控制线路的增多，这种备 用电源要求具有越来越大的容量，与现在的电化学电容器相比，新型 锂离子电池具有相同的高可靠性，而且能够大幅降低占用空间等特点 。而且主电源镍氢电池也正在被锂离子电池取代。
安全性 应用领域
3.6V
145 >500 高 低 小电池
3.7V
170 >500 较高 较Fra Baidu bibliotek 小电池/ 小型动力电池
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3.8V
110 >1000 低 较好 动力电池/ 小电池
3.2V
140 >2000 较低 好 动力电池/超大 容量电池
锂离子电池材料：
目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的钴酸锂（ LiCoO2）作为正极材料。其理论容量为 274mAh/g，实际容量为 140mAh/g 左右，也有报道实际容量已达 155mAh/g。 相比较而言，钴酸锂最大的问题是安全性差（150 度高温时易爆炸） 、成本高（钴价约 50万元/吨，含钴 60%的钴酸锂超过 40万元/吨） 、循环寿命短。 锰酸锂安全性比钴酸锂好很多，但高温环境的循环寿命差（500 次） 。 磷酸铁锂因为高放电功率、成本低（约 18~30 万元/吨）、可快速充 电且循环寿命長（1000 次以上） ，在高温高热环境下的稳定性高（ 300 度高温以上才有安全隐患） ，具有很好的安全性能，因而是目前 最理想的动力汽车用锂电正极材料。 钴镍锰酸锂，也就是三元材料，融合了钴酸锂和锰酸锂的优点，不论 在小型低功率电池，还是在大功率动力电池上都有应用。
锂电池工作原理（以18650为例）
18650锂电池中的18650 这几个数字，代表外表尺寸： 18指电池直径18.0mm ，650 指电池高度65.0mm。常见的 18650电池分为锂离子电池、 磷酸铁锂和镍氢电池。电压及 容量规格为镍氢电池电压为 1.2V 常见容量为2500mAh， 锂离子电池电压为3.6V常见容 量为1500mAh-3100mAh。
正极 活性物质 （LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2) 导电剂、溶剂、粘合剂、基体 负极 活性物质（石墨、MCMB（石墨化中间相碳 微珠）) 粘合剂、溶剂、基体 隔膜（PP（高聚物聚丙烯）+PE（聚乙烯）） 电解液（LiPF6 + DMC EC EMC) 外壳
锂电池工作原理
锂离子电池特征及基本信息： 1、锂离子电池是指Li+ 嵌入化合物为正、负极的二次电池。 2、正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXFePO4 或LiXMnO2 负极 采用锂-碳层间化合物LiXC6。 3、电解质为溶解有锂盐LiPF6 、 LiAsF6（六氟合砷(V)酸锂）等有机 溶液。 4、在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌， 被形象的称为“摇椅电池”。 5、充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负 极处于富锂状态，放电时则相反。
锂离子电池的应用
5、其它方面的应用
小到从电子表、CD唱机、移动电话、MP3、MP4、照相机、摄 影机、各种遥控器、剔须刀、手枪钻、儿童玩具等。大到从医院、宾 馆、超市、电话交换机等场合的应急电源，电动工具。由此可见，锂 离子电池在目前的应用将会随着这些电器设备的使用和普及，将会有 广泛的前景。