锂离子电池与锂电池

（2009四川理综29）（15分）
新型锂离子电池在新能源的开发中占有重要地位。可用作节能环保电动汽车的动力电池。 磷酸亚铁锂（LiFePO4）是新型锂离子电池的首选电极材料，它的制备方法如下： 方法一：将碳酸锂、乙酸亚铁［(CH3COO) Fe］、磷酸二氢铵按一定比例混合、充分研 磨后，在800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂，同时生成的乙酸 及其它产物均以气体逸出。 方法二：将一定浓度的磷酸二氢铵、氯化锂混合溶液作为电解液，以铁棒为阳极，石墨为 阴极，电解析出磷酸亚铁锂沉淀。沉淀经过滤、洗涤、干燥，在800℃左右、惰性 气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂。 在锂离子电池中，需要一种有机聚合物作为正负极之间锂离子选移的介质，该有机聚合物 的单体之一（用M表示）的结构简式如下： 请回答下列问题： （1）上述两种方法制备磷酸亚铁锂的过程都必须在惰性气体氛围中进行。其原因 是 。 （2）在方法一所发生的反应中，除生成磷酸亚铁锂、乙酸外，有 、 、 （填化学式）生成。 （3）在方法二中，阳极生成磷酸亚铁锂的电极反应式为 。 （4）写出M与足量氧化钠溶液反应的化学方程式： 。 （5）已知该锂离子电池在充电过程中，阳极的磷酸亚铁锂生成磷酸铁，则该电池放电时 正极的电极反应式为 。
什么是锂离子电池？
锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电 极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+ 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态， 正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给 到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，Li+ 从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。 在正常充放电的情况下，锂离子在层状结构的碳材 料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起 层面间距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中， 负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应 的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。 所以二次锂离子电池被形象地称为“摇椅式电池”。
锂离子电池与锂电池
锂离子电池的工作原理
锂离子电池的结构如图所示: 一般由正极、负极和高 分子隔膜构成。 锂离子电池的正极材料必须 有能够接纳锂离子的位置和扩 散路径，目前应用性能较好的 正极材料是具有高插入电位的 层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，LixCoO2， LixNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料 的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳 层间化合物LixC6，其电解质一般采用溶解有锂盐 LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系 由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(LixCoO2）和 有机电解液三部分组成。
锂离子电池也存在着一定的缺点
1） 电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高（Co的资源较 少），电解质体系提纯困难。 2） 不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电 池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于 中小电流的电器使用。 3） 需要保护线路控制。 A、 过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使 电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒 压下充电； B、 过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 摘要：综述了锂离子电池的发展趋势，简述了锂离子电池的充放电机理理论 研究状况，总结归纳了作为核心技术的锂电池正负电极材料的现有的制备 理论和近来发展动态，评述了正极材料和负极材料的各种制备方法和发展 前景，重点介绍了目前该领域的问题和改进发展情况。、成本高。与其它 可充电池相比，锂电池价格较贵。
锂离子电池的Байду номын сангаас化学表达式：
正极反应：
负极反应： 电池反应： 式中：M=Co、Ni、Fe、W等。
14年课标2卷12
12 ． 2013 年 3 月我国科学家报道了如图所示的水 溶液锂离子电池体系，下列叙述错误的是（ ） A．a为电池的正极 B．电池充电反应为 LiMn2O4=Li1-xMn2Ox+xLi C．放电时，a极锂的化合价发生变化 D．放电时，溶液中Li+从b向a迁移
答案
（1）+3 （2）2A1+20H－+6H2O==2Al(OH)4－+3H2↑ （3）2LiCoO2+3H2SO4+H2O2= Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O 2H2O2= 2H2O+O2↑
有氯气生成，污染较大
（4）CoSO4+2NH4HCO3==CoCO3↓+(NH4)2SO4+H2O+CO2↑ （5）Li1－xCoO2+LixC6==LiCoO2+6C （6）Li＋从负极中脱出，经由电解质向正极移动并进 入正极材料中 Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4
钴酸锂(LiCoO2)、导电剂乙炔黑和铝箔等。充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C+xLi＋+xe－ ==LixC6。现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源(部分条件未给出)
13年课标1卷27．(15分)锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。某锂离子电池正极材料有
。
(1)LiCoO2中，Co元素的化合价为______。 2A1+20H-+6H2O==2Al(OH)4-+3H2↑ (2)写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式____________________。 (3)“酸浸”一般在80℃下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式 2LiCoO2+3H2SO4+H2O2==Li2SO4+2CoSO4+O2↑+4H2O 2H2O2==2H2O+O2↑ ____________ ； 可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺点是_________ _。 (4)写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式__________________________。 (5)充放电过程中，发生LiCoO2与Li1-xCoO2之间的转化，写出放电时电池反应方程式 Li1－xCoO2+LixC6==LiCoO2+6C Li＋从负极中脱出，经由电解质 ___________________ 向正极移动并进入正极材料中 (6) 上述工艺中，“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是 ________________________ 。 在整个回收工艺中，可回收到的金属化合物有_________________(填化学式)。
（2009浙江理综12）
市场上经常见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电 池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金 属锂的载体），电解质为一种能传导Li的高分子材料。这 种锂离子电池的电池反应为： Li+2Li
放电 2Li0.85 NiO2 NiO 0.35 2 充电
下列说法不正确的是 A．放电时，负极的电极反应式：Li-e=Li+ B．充电时，Li既发生氧化反应又发生还原反应 C．该电池不能用水溶液作为电解质 D．放电过程中Li向负极移动
答案D 【解析】A项，Li从零价升至正价，失去电子，作为 负极，正确； B项，反应逆向进行时。反应物只有一种， 故化合价既有升，又有降，所以既发生氧化反应 又发生还原反应，正确； C项，由于Li可以与水反应，故应为非水材 料，正确； D项，原电池中阳离子应迁移至正极失电子， 故错。
什么是锂电池
• 选修四P75 • 锂电池是负极为Li的电池（正极可以是 MnO2 CuO FeS2等）
锂电池和锂离子电池的区别在哪里？
锂电池的特点
锂电池和锂离子电池的区别在哪里？ 锂电池的特点
1、具有更高的能量重量比、能量体积比； 1
、具有更高的能量重量比、能量体积比；
2、电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于 3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； 2 、电压高，单节锂电池电压为 3.6V 3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性； 锂电池的特点 锂电池和锂离子电池的区别在哪里？ 只 ，等于 3.6V 放 / 可 次； 0.5 锂电池通常可以采用 小 ～ 使充电时间缩短至 7 8 锂离子电池具有以下优点： ，是 3.6-3.9V 电池的 100-125Wh/kg 倍 （ 未 Ni-MH 倍于 比 和 150Wh/kg 循 一 甚 500 对 次以上 1000 安 4 将倍增电器的竞争力 使用期限 无 作 . 因 前身的锂电池 缩 , （如烧结式） 部分工艺 汞等对环境有污染的元素： 铅、 中不含镉、 记 “ 电池存在的一大弊病为 ” 自 5 方面的问题。 根本不存在这 个 储存 Li-ion 室温下充满电的 Ni-Cd 大大低于 左右， 10% N M 的 6 -25~45 工作温度为 工作温度范围高， 7) 以上。 80% 充电是容量可以达到标称容量的 1C 可快速充放电， 随 ， -40~70 期望能扩宽到 锂 。 C 电 1 不 2 提纯困难。 ，电解质体系 的资源较少） Co 的价格高（ LiCoO2 需 ） 3 以下，只适合于中小电流的电器使用。 0.5C 小的放电电流密度，一般放电电流在 故要求较 电池内阻相对其他类电池大。 由于有机电解质体系等原因， A 过 、 B 的恒压下充电； 4.1V-4.2V 内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在 、成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。 况。 材料和负极材料的各种制备方法和发展前景，重点介绍了目前该领域的问题和改进发展情 评述了正极 归纳了作为核心技术的锂电池正负电极材料的现有的制备理论和近来发展动态， 总结 简述了锂离子电池的充放电机理理论研究状况， 综述了锂离子电池的发展趋势， 摘要： .5 40-300Wh/L 00 5-30% 0-35% ) i-H i-Cd i H 具有更高的能量重量比、能量体积比； 电压高，单节锂电池电压为 镍镉或镍氢充电电池的串联电压； 自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性； 无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电； 寿命长。正常工作条件下，锂电池充 电循环次数远大于 以快速充电。 容量的电流充电， 时； 可以随意并联使用； 由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池； 压高，单体电池的工作电压高达 能量大，目前能达到的实际比能量为 于 来随着技术发展 能量可高达 环寿命长 般均可达到 至 于小电流放电的电器 池的 全性能好 公害 记忆效应 为 金属锂易形成枝晶发生短路 减了其应用领域： 忆效应 严重束缚电池的使用，但 放电小， 月后的自放电率为 着电解质和正极的改进， 离子电池也存在着一定的缺点，如： 池成本较高。主要表现在正极材料 能大电流放电。 要保护线路控制。 充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解， 放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 Wh/L ° ，等于 4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无 需放电； 3
7、可以随意并联使用；
500 次； 6 、 可以快速充电。 锂电池通常可以采用 0.5 ～ 1 倍容量的电流充电， 使充电时间缩短至 1 ～ 2 小时；
8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的 绿色电池；
锂离子电池具有以下优点：
1） 电压高，单体电池的工作电压高达3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍 2） 比能量大，目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍 于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400 Wh/L 3） 循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上.对于小电流放电的电 器,电池的使用期限 将倍增电器的竞争力. 4） 安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶 发生短路,缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素： 部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚 电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。 5） 自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大 低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6) 可快速充放电，1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上。 7) 工作温度范围高，工作温度为-25~45°C，随着电解质和正极的改进，期望能 扩宽到-40~70°C。
、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性； 4 /放电循环次数远大于500次； 5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充 、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电； 5 6、可以快速充电。锂电池通常可以采用 0.5～1倍容量的电流充电，使充电时间 、寿命长。正常工作条件下，锂电池充 / 缩短至1～2小时； 放电循环次数远大于 3 只镍镉或镍氢充电电池的串联电压；