锂离子电池的基础知识_
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(b) LiC 6的层间有序结构 (a) 石墨以AA层堆积、锂以aa 层间有序插入的结构示意图
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石墨的取向(大倍率性能)
基面
端面
★锂离子只能由垂直于石墨晶体 C 轴方面的端面进行插入；
★如果取向平行集流体，则锂离子 的迁移路径长，降低大电流性能；
★如果石墨墨片的取向垂直于集流体 ，可以直接发生锂离子的插入和脱 插，因而扩散阻力小，有利于大电 流充放电。
G=(0.3440-d 002 )/(0.3440-0.3354)
设结构最杂乱的碳材料的 d002 ＝0.3440nm ? 碳负极材料的比容量
比容量：单位质量的活性物质充电或放电到最大程度时的电
量，用mAh/g 表示。
理想石墨的嵌入锂离子形成 LiC 6时的理论比容量是 372 mAh/g 。 其计算方法如下：
★动力电池负极材料采用 MCMB。
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SEI 膜的形成
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Li+离子插入石墨过程：
溶剂化锂离子在电场作用下
迁移到石墨负极表面
锂离子脱溶剂化嵌入到石墨
层间
部分溶剂在石墨
表面发生开环，还原等反应
形成一层固体电解质保护膜
(SEI)
阻止后续溶剂进
★随着负极电位的降低，直到电解液中成分在负极表面形成一种 稳定的钝化膜(SEI) 而停止。
★首次放电出现四个电压平台，其中 A为SEI膜的形成，石墨的大 部分容量在0.3-0.05V范围内。
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3 对于现在的石墨负极来说，由于其嵌锂电位较低（相对 于Li +/Li 是0.01V左右），这时候铝会发生嵌锂反应 (0.4V vsLi+/Li)，同时在脱嵌过程中会发生脱嵌，导致集流体 粉化，破坏负极结构，而铜则不会发生脱嵌锂反应，所 以对较低 电位的负极材料则要用铜箔；有些负极，比如 钛酸锂，其脱嵌锂电位相对碳类材料较高（超过 1V， vsLi+/Li），也可以使用铝箔作为集流体。
比容量稍低
晶面距大， 晶面间距相 较石墨能大 当大，比容 电池充放电， 量高，循环 （可快速充 性能好 放电）且有 耐过充过放 的能力
有电压滞后 的现象
有电压滞后 现象，首次 充放电不可 逆损失大
理化指标
? 层面间(d 002 ):为两002 晶面间的距离；理想石墨的
d002 =0.3354nm
? 石墨化度 (G) ：指接近理想石墨的程度；
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锂离子电池的基础知识 Fra Baidu bibliotekOWERPOINT TEMPLATE
一步的发生共嵌入。
有效SEI 要求为锂离子导体、 非电子导体的保护膜，防止 负极材料与电解液进一步反 应。
不可逆容量的产生
不可逆容量
可逆容量
2.0
(a)第1次循环
1.6
充
1.2
电 (b)第2次循环
0.8
放
电
0.4
0.0
0
300
600
★所有炭素材料在经过首次充放电时都会存在由于副反应带来的 不可逆容量损失。
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目录
? 锂离子电池组成 ? 炭负极材料 ? 锂离子电池工作原理
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锂离子电池的组成
●正极
LixCoO 2 、LixNiO2或LiMn 2O4、LiFePO 4等锂化合物
●负极
LixC6锂－碳层间化合物，如石墨、MCMB 等
●电解质
报告人：马倩倩 POWERPOINT TEMPLATE P2O0W1ER2P年OIN5T 月TEM1PL4AT日E
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LiPF 6（浓度 1mol/l）+ DMC EC EMC （重量比1:1:1 ）
●隔膜
单层PP ，单层PE ，三层PP/PE/PP
●外壳五金件
铝壳、盖板、极耳、绝缘片
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锂离子电池的组成
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锂离子电池正极与负极
正极集流体：铝箔
正极物质：钴酸锂+乙炔黑+PVDF
金属锂电化学比容量是 3860 mAh/g(Q=nF*1000/3600M)
，
锂在原子量为 6.94 ，碳 的原子量是 12.01
3860*6.94/ （12.01*6 ）＝372 mAh/g
对于非理想石墨的理论比容量计算： Q ＝372＊G
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锂离子电池工作原理
Charge Li+
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炭负极材料
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炭材料优缺点比较
天然石墨
人造石墨 软碳
硬碳
优点
缺点
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石墨化度高，理 论比容量高
目前锂电负极 中使用的主要 材料；价格便 易，循环性能 好
循环寿命差，要 经过机械研磨、 氧化处理、表面 包覆、掺杂等改 性处理
负极集流体：铜箔
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负极物质：石墨+CMC+SBR
为什么负极要用铜箔而正极要用铝箔做集流体，能否互换？
1 导电性好，质地比较软（有利于粘结），也相对常见比 较廉价，表面都能形成一层氧化物保护膜。
2 正极电位相对较高，铜铝都会氧化，但是铝形成的氧化 膜较致密，可以阻止铝集流体的进一步氧化，而铜集流 体的氧化层较疏松。
Li+
Electrolyte Li+ Li+
Positive Electrode
Discharge
Negative Electrode
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石墨嵌入化合物LiC 6的结构
(a)ABAB…重复堆积而成，六方 结构(2H)
(b)ABCABC… 重复堆积而成， 菱形结构(3R),为亚稳定结构， 没有纯的菱形结构单独存在。
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石墨的取向(大倍率性能)
基面
端面
★锂离子只能由垂直于石墨晶体 C 轴方面的端面进行插入；
★如果取向平行集流体，则锂离子 的迁移路径长，降低大电流性能；
★如果石墨墨片的取向垂直于集流体 ，可以直接发生锂离子的插入和脱 插，因而扩散阻力小，有利于大电 流充放电。
G=(0.3440-d 002 )/(0.3440-0.3354)
设结构最杂乱的碳材料的 d002 ＝0.3440nm ? 碳负极材料的比容量
比容量：单位质量的活性物质充电或放电到最大程度时的电
量，用mAh/g 表示。
理想石墨的嵌入锂离子形成 LiC 6时的理论比容量是 372 mAh/g 。 其计算方法如下：
★动力电池负极材料采用 MCMB。
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Li+离子插入石墨过程：
溶剂化锂离子在电场作用下
迁移到石墨负极表面
锂离子脱溶剂化嵌入到石墨
层间
部分溶剂在石墨
表面发生开环，还原等反应
形成一层固体电解质保护膜
(SEI)
阻止后续溶剂进
★随着负极电位的降低，直到电解液中成分在负极表面形成一种 稳定的钝化膜(SEI) 而停止。
★首次放电出现四个电压平台，其中 A为SEI膜的形成，石墨的大 部分容量在0.3-0.05V范围内。
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3 对于现在的石墨负极来说，由于其嵌锂电位较低（相对 于Li +/Li 是0.01V左右），这时候铝会发生嵌锂反应 (0.4V vsLi+/Li)，同时在脱嵌过程中会发生脱嵌，导致集流体 粉化，破坏负极结构，而铜则不会发生脱嵌锂反应，所 以对较低 电位的负极材料则要用铜箔；有些负极，比如 钛酸锂，其脱嵌锂电位相对碳类材料较高（超过 1V， vsLi+/Li），也可以使用铝箔作为集流体。
比容量稍低
晶面距大， 晶面间距相 较石墨能大 当大，比容 电池充放电， 量高，循环 （可快速充 性能好 放电）且有 耐过充过放 的能力
有电压滞后 的现象
有电压滞后 现象，首次 充放电不可 逆损失大
理化指标
? 层面间(d 002 ):为两002 晶面间的距离；理想石墨的
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一步的发生共嵌入。
有效SEI 要求为锂离子导体、 非电子导体的保护膜，防止 负极材料与电解液进一步反 应。
不可逆容量的产生
不可逆容量
可逆容量
2.0
(a)第1次循环
1.6
充
1.2
电 (b)第2次循环
0.8
放
电
0.4
0.0
0
300
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锂离子电池的组成
●正极
LixCoO 2 、LixNiO2或LiMn 2O4、LiFePO 4等锂化合物
●负极
LixC6锂－碳层间化合物，如石墨、MCMB 等
●电解质
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●隔膜
单层PP ，单层PE ，三层PP/PE/PP
●外壳五金件
铝壳、盖板、极耳、绝缘片
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锂离子电池正极与负极
正极集流体：铝箔
正极物质：钴酸锂+乙炔黑+PVDF
金属锂电化学比容量是 3860 mAh/g(Q=nF*1000/3600M)
，
锂在原子量为 6.94 ，碳 的原子量是 12.01
3860*6.94/ （12.01*6 ）＝372 mAh/g
对于非理想石墨的理论比容量计算： Q ＝372＊G
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锂离子电池工作原理
Charge Li+
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炭负极材料
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炭材料优缺点比较
天然石墨
人造石墨 软碳
硬碳
优点
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石墨化度高，理 论比容量高
目前锂电负极 中使用的主要 材料；价格便 易，循环性能 好
循环寿命差，要 经过机械研磨、 氧化处理、表面 包覆、掺杂等改 性处理
负极集流体：铜箔
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为什么负极要用铜箔而正极要用铝箔做集流体，能否互换？
1 导电性好，质地比较软（有利于粘结），也相对常见比 较廉价，表面都能形成一层氧化物保护膜。
2 正极电位相对较高，铜铝都会氧化，但是铝形成的氧化 膜较致密，可以阻止铝集流体的进一步氧化，而铜集流 体的氧化层较疏松。
Li+
Electrolyte Li+ Li+
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石墨嵌入化合物LiC 6的结构
(a)ABAB…重复堆积而成，六方 结构(2H)
(b)ABCABC… 重复堆积而成， 菱形结构(3R),为亚稳定结构， 没有纯的菱形结构单独存在。