锂离子电池正极材料的结构及性能PPT课件

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➢ 以石墨//LiCoO2 锂离子电池为例，其电 极反应方程式如下;
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➢ 充电时外界电流从负极流向正极，相应的锂 离子从LiCoO2 中脱出，经过电解液，透过隔膜 ，到达负极，嵌入负极材料中；放电时，锂离 子从负极材料中脱出，经过电解液和隔膜，嵌 入正极材料中，相应的电流从正极经过外界负 载流向负极。在正常充放电的情况下，锂离子 在石墨和 LiCoO2中脱嵌，影响其层间距的变化 ，但是不影响其晶体结构的破坏。如图2所示。
锂离子电池正极材 料的结构及性能
2007年4月
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前言
➢ 锂离子电池由于具有比能量高、工作电压 高、循环寿命长、无记忆效应及污染少等优 点，现已广泛应用于移动电话、便携计算机 、数码相机、便携音乐播放器等通讯与数码 产品中。而其在电动工具、电动车、航天卫 星、武器装备以及各种储能装置等领域的应 用开发也逐渐被提到议事日程上来。
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笔记本电脑 6%
数码相机 6% 数码摄相机 5%
手机 83%
图 5 锂离子电池市场应用分布图
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锂离子电池不仅可以用于便携式电器、人造卫 星、航天行红等领域，还是电动汽车的后备电源之 一，以往的民用汽车因为存在空气污染和噪音，给 人类的环境和健康带来了严重危害。电动车之所以 能够成为未来车辆的方向，使因为它与传统内燃机 汽车相比在环境友好度、资源消耗、行车成本方面 都具有较大的优势。动力电池是电动汽车的关键的 动力，正极材料的进一步开发目标是提高比容量电 池和降低成本，使其满足发展电动车大容量电池的 要求。目前制约动力电池发展的两大问题是价格和 安全性，要想促进动力电池的发展，必须要加大科 研的投入。以下是全球动力电池近几年需求发展需 求图，如图所示。
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(8)可快速充放电，且放电平稳; (9)充电效率高; (10)工作温度范围宽，为一20-60C; (11)无污染，称为绿色能源.
此外，锂离子电池还具有无记忆效应,寿命 长，无环境污染等优点，综合性能优于铅酸 、镍镉和金属电池、被称为性能最好的电池 。近年来锂离子电池的应用在世界各地引起 轰动。下表列出了锂离子电池与及电池的性 能对比。
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表1 锂离子电池与一些二次电池的性能比较
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当然锂离子电池也有一些不足之处: (1)制备条件要求高; (2)成本高，主要是LiCoO2电池成本高; (3)为提高安全性，防止正负极短路及过充电 ，必须有特殊的保护电路;
虽然锂离子二次电池也有一些不足之处，但 是与其他种类二次电池相比，锂离子二次电 池仍为首选，也必将在21世纪的能源市场上 占有举足轻重的地位。
图4方形锂离子电池示意图
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锂离子电池是真正的绿色高能可充电池， 深受社会和用户的欢迎。主要应用于电子产 品方面，，即通讯、便携计算机、和消费电 子产品方面，包括手机、笔记本电脑、电子 翻译器等。由于锂离子电池所具有的优越性 ，因此目前已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。以下是小型锂离子离子电池市场应用分 布情况。如图所示。
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锂离子电池的结构
图1. 圆筒型锂离子电池结构示意
电锂 解离 质子 、电 隔池 膜主 以要 及包 外括 壳正 等极 。、 其负 结极 构材 见料 图，
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锂离子电池的工作原理
➢ 锂离子电池实质上是一个锂离子浓差电池，正负 电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成．充电时， 锂离子从正极化合物中脱出并嵌入晶格，正极处于 贫锂状态；放电时锂离子从负极脱出并插入正极， 正极处于富锂状态。在正常的充放电情况下，锂离 子在层状结构氧化物中的嵌入和脱出，一般只会引 起层间距的变化，而不会引晶体结构的破坏，因此， 从充放电反应的可逆性来讲，锂离子电池反应是一 个理想的可逆反应。
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0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 年份
全球动力锂离子电池近几年需求发展需求
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锂离子正极材料的要求
一般说来，作为一种嵌入电极(My) : xA+AMy==AxMy下极材料(正极材料必须具有的 性质是： (1)锂离子电池的充放电过程存在关系式△G=-nFE ，为了使正负极之间保持一个较大的电位差(E)，以 保证高的电池电压(高比功率)，应要求反应的吉布 斯自由能(△G)大; (2)广阔的x范围，提供高的电池容量; (3)在x范围内，锂离子电池嵌入反应的△G改变量小 ，即锂离子嵌入量大且电极电位对嵌入量的依赖小 ，以确保里离子电池工作电压稳定;
13பைடு நூலகம்
锂离子电池的应用
目前市场上应用的锂离子电池主要有两 种，一种是圆柱形锂离子电池，一种为方 形锂离子电池。从趋势上看，方形锂离子 的生产大大快于圆柱型锂离子电池的生产 ，主要原因在于其体积可以更小，容量密 度更大，有利于电子组件的轻便化。下图 分别是圆柱形电池和方形电池的结构示意 图。
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图3 圆柱形锂离子电池示意图
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图2 锂离子电池的工作原理示意图
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锂离子电池的特点
锂离子电池的特性与其他传统的二次电池 相比，锂离子电池有许多的优点，这些优点主 要表现在以下几个方面： (1)能量密度高，为传统锌负极电池的2-5倍; (2)输出功率大，可大电流放电; (3)平均输出电压高(-3.6V)为Ni-Cd, Ni一H电 池的3倍; (4)自放电小，不到Ni-Cd, Ni-H电池的一半; (5)储存时间长，预期可达10年; (6)循环性能优越;
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➢ 锂离子电池的电化学性能主要取决于所 用电极材料和电解质材料的结构和性能,尤其 是电极材料的选择和质量直接决定着锂离子 电池的特性和价格,因此,廉价高性能正负极材 料的开发一直是锂离子电池研究的重点。近 几年来,碳负极性能的改善和电解质的选择都 取得了很大进展,相对而言,锂离子电池正极材 料的研究较为滞后,成为制约锂离子电池整体 性能进一步提高的重要因素。因此,正极材料 的研究正受到越来越多的重视。
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主要内容
锂离子电池的结构与工作原理 锂离子电池的特点及应用 锂离子电池正极材料的要求及影响因素 锂离子电池正极材料的结构与性能研究 ➢ 锂钴氧（ LiCoO2 ）正极材料 ➢ 锂镍氧（ LiNiO2 ）正极材料 ➢ 锂锰氧（ LiMn2O4）正极材料 ➢ 新型正极材料磷酸铁锂（ LiFePO4 ） 其他正极材料 发展前景