锂电池原理与实用工艺复习整理

锂电池原理与工艺复习

第一章化学电源的原理及类别

一、电池术语与及使用基本常识

1、电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。

2、理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg （mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。

3、实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为 Ah，其值小于理论容量。

4、额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。

5、电池阻包括欧姆阻和极化阻，极化阻又包括电化学极化与浓差极化。

6、终止电压(Cut-off discharge voltage)指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。

7、开路电压(Open circuit voltage OCV)电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。

8、放电深度(Depth of discharge DOD)在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为放电深度。

9、过放电(Over discharge)电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。

10、过充电(Over charge)电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。

11、能量密度(Energy density)电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。

12、自我放电(Self discharge)电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。

13、放电平台锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平台（行业标准1C放电平台为70%以上）

14、充电循环寿命(Cycle life)电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命。

15、化成：电池制造后，通过一定的充放电方式将其部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成，电池只有经过化成后才能体现真实性能。

16、分容：电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容

17、快速充电：充电电流大于0.2C，小于0.8C则是快速充电。

18、慢速充电：充电电流在0.1C-0.2C之间时，我们称为慢速充电。

19、涓流充电：充电电流小于0.1C时，我们称为涓流充电。

20、超高速充电：充电电流大于0.8C时，我们称之为超高速充电。

21、恒流充电方式：恒流充电法是保持充电电流强度不变的充电。方法，恒流充电器通常使用慢速充电电流。

22、快速自动充电方式：通常所使用的是余弦法充电，也就是说并非用恒定的大电流充电，而是像余弦波那样电流强度随之变化，这样能缓解热量的积聚，从而将温度控制在一定围。

23、脉冲式充电法：脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。

24、充电时间(小时)=充电电池容量(mAh)/充电电流(mA)*1.5的系数

25、电池的比能量：单位体积或单位质量电池所放出的能量称比能量，前者称体积比能量或能量密度（Wh/L ），后者称质量比能量(Wh/kg)。

26、理论比容量的计算：M

n M nF C 10008.266.3••== 第二章 锂离子电池的原理、特点及技术

一、锂离子电池工作原理

正极：-+-++⇔xe xLi CoO Li LiCoO x 212

负极：66C Li xe xLi C x ⇔++-+

总反应：62126C Li CoO Li C LiCoO x x +⇔+-

二、锂离子电池的主要优点如下：重量能量密度大（Wh/kg ）、循环寿命长、单体额定电压高、自放电率小、安全性高、可快速充放电、无环境污染，绿色电池。

三、锂离子电池的主要缺点如下：阻高、电压变化大、成本高、需保护电路、难替代、操作环境要求高、资源有限，回收利用难度大。

第三章 正极材料的类别、性能及储锂原理

一、层状正极材料（LiCoO2、三元）

1、2LiCoO

（1）理论比容量275mAh/g ；

（2）工作区间： 锂脱出量 ＜ 0.5，工作平台位于3.6V ，比容量137 mAh/g ，循环性能好，当锂脱出量＞0.5 时，结构不稳定，需要充电保护。

（3）存在的主要问题：①实际比容量与理论值275 mAh/g 有较大差距。②资源匮乏，成本高。③有一定毒害。

（4）主要解决办法：利用Ni 、Al 等元素掺杂替代，稳定结构，提高电位和比容量，降低成本。

（5）LiCoO2的改性

原因：①层状LiCoO2在充放电循环过程中受到不同程度的破坏，导致严重的应变和缺陷密

度增加，发生容量衰减 。②从层状结构转变为立方尖晶石结构。

方法：掺杂：B 、Al 、Mg 、Ni 、Cr 、Mn 、Cu 、Sn 、Zn 等和包覆： MgO 、 LiMn2O4、 SnO 、Al2O3、TiO2、ZrO2等。

2、2LiNiO

（1）具有与LiCoO2相同的结构，理论比容量为274mAh/g ，实际可达到180mAh/g 以上，远高于LiCoO2，不存在过充电现象，并具有价廉、无毒，等优点。

（2）存在的主要问题：①制备困难。②结构不稳定，易生成Li1-yNi1+yO2。使得部分Ni 位于Li 层中，降低了Li 离子的扩散效率和循环性能。

3、21O iCo LiN y y -

（1）21O iCo LiN y y -与LiNiO2和LiCoO2一样，具有α-NaFeO2 型层状结构（R-3m 空间群），理论容量为275 mAh/g ，作为锂离子电池正极材料兼有LiNiO2和LiCoO2的优点，比容量高，循环性能好，价格便宜，污染小，制备简单等。

【层状镍锰二元材料：25.05.0O Mn LiNi 中Mn 以+4Mn 形式存在，充放电过程中，锰不参加电化学反应，起到稳定材料晶体结构的作用，具有优良的电化学性能．但是该材料合成困难，在合成中由于存在杂相而影响材料性能．】

4、三元材料（2O Mn Co LiNi z y x ）

（1）特征：①优点：比容量高、循环寿命长、安全性能好、价格低廉。②缺点：平台相对较低、首次充放电效率低。

（2）三元协同效应：①Co ，减少阳离子混合占位，稳定层状结构；②Ni ，可提高材料的容量；③Mn ，降低材料成本，提高安全性和稳定性。

（3）目前商业化三元系列材料：23/13/13/1O Mn Co LiNi 、24.02.04.0O Mn Co LiNi 、23.02.05.0O Mn Co LiNi

（4）23/13/13/1O Mn Co LiNi 三元材料的性质

①α-NaFeO2型结构，六方晶系，②2O 立方密堆积构成结构骨架，+

Li 与过渡金属离子占据八面体间隙位；③可发生Ni2+/Ni3+、 Ni3+/Ni4+和Co3+/Co4+的氧化还原反应，而Mn 处于稳定的+4价，并不参与反应，Ni2+与Co3+被完全氧化至+4价时，其理论比容量约为277 mAh/g ；④锂脱出量过高时，晶格氧逃逸三元材料分解，生成新相MO2；⑤LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有和LiCoO2 十分相似的α-NaFeO2 层状结构，其中过渡金属元素Co 、Ni 、Mn 分别以+3 、+2 、+ 4 价态存在。⑥23/13/13/1O Mn Co LiNi 在不同温度及倍率下结构变化较小，所以材料具有很好的稳定性。⑦23/13/13/1O Mn Co LiNi 由于采用镍锰取代价格昂贵的钴，使材料具有相对低廉的价格。

（5）24.02.04.0O Mn Co LiNi 三元材料的性质