【碳材料】第五章 储能碳材料-锂离子二次电池用电极材料
锂离子二次电池碳负极材料的研究进展
文章编 号 ：６ １ ６ ２ ２０ ）３ ０ ４ ０ １７ —９ ６ （０７ ０ — ０ ０— ４
锂 离 子 二 次 电池碳 负极 材 料 的研 究进 展
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第 １ 卷第 ３期 ６
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０ 引言
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碳基材料在电化学储能中的应用
碳基材料在电化学储能中的应用近年来，碳基材料在电化学储能领域中的应用越来越受到人们的关注。
碳基材料具有很高的比表面积、良好的电导率、高化学稳定性等优良的性能，使得它在储能领域中有着广泛的应用。
本文将对碳基材料在电化学储能中的应用进行探讨。
一、碳基材料概述碳基材料是由纯净的碳元素构成的材料，具有优良的物理化学性质，如高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等。
目前，碳基材料已经广泛应用于电化学储能、光电催化、传感器、催化剂等领域。
其在电化学储能领域中的应用尤为重要。
二、碳基材料在超级电容器中的应用超级电容器是一种高效储能装置，能够快速储存和释放电能。
碳基材料是制备超级电容器所必须的材料之一。
其中，以活性炭和碳纳米管为代表的碳基材料因其高比表面积和高导电性而成为制备超级电容器的理想材料。
活性炭是由木材、植物、煤炭等原料在高温条件下经过物理或化学处理后制备而成的一种微孔材料。
由于其特有的微孔结构和高比表面积，使其具有良好的吸附性能和电化学性能，被广泛应用于超级电容器的制备中。
碳纳米管是一种由碳元素构成的管状结构，具有很高的比表面积和优异的电化学性能。
研究发现，将碳纳米管作为超级电容器的电极材料，不仅能够提高储能效率，还能够提高超级电容器的循环寿命。
三、碳基材料在锂离子电池中的应用锂离子电池是一种高效储能电池，具有高能量密度、长循环寿命和低自放电等优点，目前已广泛应用于电动汽车、移动通信、笔记本电脑等领域。
碳基材料也是锂离子电池中必不可少的材料之一。
碳基材料作为锂离子电池的负极材料，具有很高的比表面积和优良的导电性能，可以提高锂离子电池的储能效率和循环寿命。
研究发现，将碳纳米管作为锂离子电池的负极材料，不仅能够提高电池的储能效率，还能够减少电池的容量衰减速度，从而提高电池的循环寿命。
四、碳基材料在柔性电子器件中的应用柔性电子器件是一种新型的电子器件，具有高韧性、高弹性和超薄柔性等特点，可以在柔性基底上灵活地制备各种形状的电子装置。
锂离子电池负极材料课件
硅基材料
硅基材料具有极高的可逆容量和较低的电极电位，适用于高 能量密度电池。
但硅基材料的体积效应较大，循环性能较差，且制备成本较 高。
氮化物材料
氮化物材料具有较高的可逆容量和良好的电导率，适用于高倍率放电和高温存储 。
但氮化物材料的制备成本较高，且循环性能有待提高。
CHAPTER 03
锂离子电池负极材料的性能要求
锂离子电池负极材料的发展前景
技术进步
随着科研技术的不断进步，锂离子电池负极材料的性能将得到进一步提升。新型负极材料的研发将有助于提高电池的 能量密度、循环寿命和安全性能。
市场需求增长
随着电动汽车和可再生能源市场的不断扩大，锂离子电池负极材料的市场需求将持续增长。这为负极材料产业的发展 提供了广阔的空间。
03
技术创新机遇
面对挑战，技术创新成为关键。通过 研发新型负极材料、改进生产工艺和 提高回收利用效率，企业能够抓住机 遇，推动锂离子电池负极材料产业的 可持续发展。
THANKS
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安全性能
热稳定性
负极材料在高温或短路等异常情 况下的热稳定性对电池的安全性 至关重要。高热稳定性的负极材 料能够降低电池燃烧或爆炸的风
险。
化学稳定性
负极材料在充放电过程中应保持 化学稳定性，避免与电解液或其 他材料发生不良反应，从而降低
电池的安全风险。
机械稳定性
负极材料在充放电过程中应保持 较好的机械稳定性，以防止电池 内部结构变化导致短路或破裂等
环保政策推动
在全球范围内，环保政策日益严格，鼓励使用清洁能源和电动汽车。这将进一步推动锂离子电池负极材 料的发展和应用。
锂离子电池负极材料的挑战与机遇
01
锂离子电池碳负极材料
锂离子电池碳负极材料锂离子电池是一种重要的电池技术，广泛应用于移动通信、笔记本电脑、电动车、储能系统等领域。
其负极材料是电池的重要组成部分，直接影响电池的性能和寿命。
传统的锂离子电池负极采用石墨材料，但随着电动汽车市场的发展和储能系统的普及，石墨的特性已经不能满足新的需求，因此研究新型的有机和无机材料已成为研究热点之一。
碳材料是当前最有前途的锂离子电池负极材料之一。
碳负极材料具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等特点，能够实现电荷输运、储存锂离子和保持电池循环性能。
现有的碳负极材料主要包括天然石墨、人工石墨、硬碳和软碳等，其中，天然石墨和人工石墨是最常用的碳负极材料。
然而，石墨材料存在材料性能不一致、制备难度大、成本高等问题，因此探索新型的碳负极材料已成为研究热点。
目前，碳纳米管、石墨烯、多孔碳等无机碳材料以及硼氮化物、葡萄糖、纤维素等有机碳材料被广泛研究，其中，碳纳米管和石墨烯因具有高比表面积和导电性能优良而备受关注。
碳纳米管具有极高的比表面积和导电性能，可以提高储能效率和电容量，但其制备成本和生产规模还需要进一步提高；石墨烯可以实现锂离子快速储存和释放，同时具有卓越的导电性能和稳定性，但其还未达到大规模商业应用的水平。
除无机碳材料外，有机碳材料也备受关注。
硼氮化物是一种新型碳负极材料，具有可控的孔径和化学活性，可以在电化学储能中提供高性能。
葡萄糖和纤维素等生物质碳材料具有低成本、可再生等诸多优点，可以被用作下一代电池负极材料。
在现有的碳负极材料中，石墨烯和多孔碳的性能具有很大发展潜力，有望成为下一代电池负极材料的主流选择。
同时，应加强对有机碳材料的研究，探索其在电池负极中的应用潜力。
随着科学技术的不断发展，有望实现碳材料在锂离子电池中的广泛应用，推动电池产业的进一步发展。
碳材料在锂离子电池负极中的应用研究
碳材料在锂离子电池负极中的应用研究近年来，电动汽车的普及，让锂离子电池成为了备受瞩目的电池技术。
其中，负极是锂离子电池的一个关键部件，直接关系到电池的性能表现和使用寿命。
为了提高锂离子电池负极的性能，碳材料作为一种重要的负极材料，越来越受到科学家们的重视。
那么，碳材料在锂离子电池负极中的应用研究都有哪些进展呢？一、碳材料在锂离子电池负极中的作用原理锂离子电池负极的主要材料有碳、硅、锂钛矿、锂铁磷酸盐等。
而其中碳作为负极材料则具有以下几个优点：一是具有无限可循环使用的性质，可以实现长久的电池寿命；二是足够安全，不会出现火灾或爆炸问题；三是成本相对较低，可以大规模生产。
在锂离子电池中，负极材料接受锂离子在充放电过程中的嵌入和脱嵌。
而碳材料则可通过多种方式来实现嵌入和脱嵌，如高温炭化法、溶胶-凝胶法、水热法等。
其中，高温炭化法是制备碳材料最为常用的方法，主要是将有机物高温热解为无机碳材料。
由于碳材料的特殊性质，可以在很大程度上优化锂离子电池负极的性能。
例如：碳材料的导电性好，在充电和放电过程中可以快速传递电荷；碳材料的比表面积大，可以提供更多的表面积给锂离子嵌入和脱嵌反应，从而提高电池的容量和能量密度；碳材料的结构可调控性强，可以通过粒度、形貌、孔径等方式优化其结构，从而控制充放电过程中电池的性能表现。
二、碳材料在锂离子电池负极中的应用研究进展1. 石墨化碳材料石墨化碳材料是一种以石墨化程度为基础的碳材料，具有高导电性、较大比表面积、良好的化学稳定性等特点。
因此，在锂离子电池中，石墨化碳材料被广泛应用于电池负极材料中。
此外，石墨化碳材料还可以通过微观调控达到优化电池性能的效果。
2. 三维碳材料三维碳材料具有独特的空间结构和特殊的电子传输性质，是一种有望实现高容量和高稳定性锂离子电池负极材料的新型碳材料。
此外，三维碳材料的制备方法不断创新，如自组装、印刷、微流控等方法，不仅提升了其性能表现，还有利于工程化大量生产。
碳电极材料
碳电极材料
碳电极材料是一类用于电化学储能和转化应用中的电极材料，具有较高的导电性和化学稳定性。
常见的碳电极材料包括：
1. 石墨：石墨是一种由层状碳原子排列组成的材料。
它具有优异的导电性和化学稳定性，广泛用于锂离子电池等电化学储能系统中。
2. 多孔碳材料：多孔碳材料有很大的比表面积和孔隙结构，可以提供更多的活性表面供电化学反应发生。
例如，活性碳和炭纤维是常用的多孔碳电极材料。
3. 石墨烯：石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料。
它具有极高的导电性和化学活性，可以作为高性能电极材料应用于超级电容器等领域。
4. 碳纳米管：碳纳米管是一种由碳原子形成的管状结构。
它具有高导电性、优异的力学性能和热稳定性，可用于储能器件和催化剂支撑材料等领域。
5. 碳纳米片：碳纳米片是一种由碳原子层层叠加形成的片状结构。
它具有高导电性和化学稳定性，适用于超级电容器和电催化等应用。
这些碳电极材料在电化学储能和转化领域具有广泛应用，能够提供高效、可靠和环保的能源存储和能源转换解决方案。
碳基材料在能源存储中的应用
碳基材料在能源存储中的应用碳基材料在当今社会中扮演着越来越重要的角色，尤其是在能源存储领域。
碳基材料具有优异的导电性、化学稳定性和结构可控性，能够有效地储存和释放能量，因此被广泛应用于电池、超级电容器、燃料电池等能源存储设备中。
在这些领域中，碳基材料的应用不仅提高了能源存储设备的性能，也为可持续能源发展提供了重要支持。
首先，碳基材料在锂离子电池中的应用已经成为主流。
碳纳米管、石墨烯、多孔碳等碳基材料能够作为电极材料用于锂离子电池中，不仅提高了电极的导电性和稳定性，还能增加电池的充放电速率和循环寿命。
石墨烯由于其高比表面积和优异的电子传输性能，被认为是理想的锂离子电池电极材料，可以大大提高电池的容量和循环寿命。
多孔碳材料则能够提供更多的储能空间，增加电极与电解质的接触面积，从而提高电池的能量密度和功率密度。
其次，碳基材料在超级电容器中的应用也备受重视。
超级电容器是一种新型能量储存设备，具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电特性的优点。
碳纳米管、碳纳米片、活性炭等碳基材料被广泛应用于超级电容器的电极材料中，能够提高电容器的电容量和循环寿命。
碳纳米管由于其高比表面积和优异的电导率，能够显著提高超级电容器的电容量和充放电速率；而活性炭则因其丰富的孔隙结构和化学稳定性，被广泛用于电解质的吸附，从而增加超级电容器的能量密度和循环寿命。
最后，碳基材料在燃料电池中的应用也日益增多。
燃料电池是一种高效的能源转换设备，能够将化学能直接转化为电能，具有高能量密度和零排放的优点。
碳纳米管、石墨烯、碳纳米片等碳基材料被广泛应用于燃料电池的电极催化剂中，能够提高燃料电池的催化活性和稳定性。
石墨烯由于其优异的电子传输性能和较高的比表面积，被认为是理想的燃料电池催化剂载体，能够显著提高燃料电池的催化活性和耐久性。
碳纳米管和碳纳米片则因其丰富的活性表面和优良的导电性能，能够增加电极与催化剂之间的接触面积，提高燃料电池的效率和稳定性。
锂离子二次电池负极用碳材料及其储锂机理
锂离子二次电池负极用碳材料及其储锂机
理
锂离子电池是一种高效、环保的电池，广泛应用于移动电子设备、电动汽车等领域。
其中，负极材料是锂离子电池的重要组成部分，其性能直接影响电池的性能和寿命。
目前，碳材料是锂离子电池负极材料的主要选择，其储锂机理也备受关注。
碳材料作为锂离子电池负极材料的优点在于其具有良好的导电性、化学稳定性和可再生性。
碳材料的种类很多，包括天然石墨、人造石墨、非晶碳、纳米碳管等。
其中，天然石墨是最常用的碳材料，其具有较高的比表面积和较好的导电性能，但其储锂容量较低。
人造石墨则具有较高的储锂容量，但制备成本较高。
非晶碳和纳米碳管则具有较高的储锂容量和较好的循环性能，但制备难度较大。
碳材料的储锂机理主要包括插层反应和吸附反应两种。
插层反应是指锂离子在碳材料中插入晶格间隙，形成锂化碳化物，从而实现储锂。
吸附反应则是指锂离子在碳材料表面吸附，形成锂离子和碳材料之间的物理吸附作用，从而实现储锂。
插层反应和吸附反应的比例取决于碳材料的结构和表面性质。
除了碳材料外，还有其他材料也被用作锂离子电池负极材料，如硅、锡、磷等。
这些材料具有更高的储锂容量，但也存在着循环性能差、容量衰减快等问题。
因此，碳材料仍然是锂离子电池负极材料的主要选择。
碳材料作为锂离子电池负极材料具有重要的地位，其储锂机理也是研究的热点之一。
未来，随着科技的不断进步，碳材料的性能和储锂机理还有很大的发展空间，将为锂离子电池的应用提供更好的支持。
碳材料在储能和电催化领域应用的研究
碳材料在储能和电催化领域应用的研究随着全球经济的高速发展，人们对环境保护和节能减排的意识也越来越强。
在能源储存和转化领域，碳材料作为一种具有良好物理和化学性质的材料，吸引了研究者的广泛关注。
本文将介绍碳材料在储能和电催化领域的应用研究。
一、碳材料在储能领域的应用储能是解决可再生能源波动性和不稳定性的一个重要途径。
而碳材料的特性，比如高度导电性、兼容性等，使其成为储能领域的重要研究材料之一。
目前，碳材料主要应用于电容器和锂离子电池领域。
电容器是一种具有储能功能的电子设备。
碳材料电容器分为双电层电容器和赝电容器两种，其中双电层电容器是最为常见的类型。
优异的电导率和与活性材料的良好接触态尺寸让碳材料成为了电容器的首选电极材料。
早在20世纪50年代，就已经研究出了基于活性炭的电容器，但是由于电容量和特定电量较小，其应用受限。
现如今，碳纳米管、二维氧化石墨烯和二维过渡金属硫化物等碳材料的引入，使得电容量和稳定性得到了极大的提升。
锂离子电池是当今最为流行的电池之一。
由于罕见金属的价格不断攀升，非金属电极的研发和应用成为了一个热门研究领域。
碳材料具有较高的存储锂离子能力、稳定性好等特点，是非金属电极材料的首选。
二氧化钛@石墨烯复合沉淀物、碳纳米管和多孔碳材料等在锂离子电池中得到了广泛的应用。
二、碳材料在电催化领域的应用电催化是一种利用电化学方法促进反应发生的技术。
而碳材料由于其良好的导电性、大比表面积、热稳定性等优势，成为了电催化领域的重要材料。
碳材料的应用包括电解水、CO2还原、电化学合成功能化学等。
电解水是一种利用电解液将水分解成氢气和氧气的技术。
由于氢能的清洁性和高效性，电解水技术受到了越来越多的关注。
而碳材料具有较高的电催化活性、化学稳定性和电化学稳定性，是电解水技术中的重要催化剂。
石墨烯、多孔碳材料、以及碳复合材料等在电解水中均得到了广泛的应用。
CO2还原是一种利用电化学方法将CO2还原为化学品的技术。
锂离子电池电极材料综述(精)
锂离子电池电极材料综述一、引言从上世世纪70年代起锂离子电池的研究至第一个可充式锂-二硫化钼电池于1979年研究成功，再到1991年SONY公司首次推出商品化锂离子电池产品算起，锂离子电池的发展至今已有30多年的时间。
锂离子电池是以Li+嵌入化合物为正负极的二次电池，实际上是一个锂离子浓差电池，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。
与其它蓄电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、安全性能高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等优点。
目前，锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。
随着这些电器的高能化，轻量化，对锂离子电池的需求也越来越迫切。
同时被看作是未来电动汽车动力电源的重要候选者之一，并在空间技术、国防工业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景二、工作原理锂离子电池通常正极采用锂化合物，负极采用锂－碳层间化合物。
电介质为锂盐的有机电解液。
充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。
放电时， Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。
在正常充放电过程中， Li+在层状结构的碳材料和层状结构的金属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。
三、电极材料（1）电极材料的性能要求简单来说，电池主要包括正极、负极、电解质与隔膜四个部分。
正极材料通常是一种嵌入化合物，在外电场作用下化合物中的锂可逆的嵌入和嵌出；负极材料一般是层状结构的碳材料。
锂离子电池正极材料在改善电池容量方而起着非常重要的作用。
理想的正极材料应具备以下品质：点位高、比能量大、电池充放电速率快、充放电循环寿命长、密度（包括重量能量密度和体积能量密度）大、导电率高、无环境污染、成本低、易制成电极和低温性能好等。
选取负极材料的依据是锂在其中可逆容量、反应电位、扩散速率等。
理想的负极材料应具有电位低、比能量大、电池充放电速率快、充放电循环寿命长、密度（包括重量能量密度和体积能量密度）大、导电率高和低温性能好等优良品质。
锂离子电池与电极材料PPT课件
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锂离子电池的正极材料（ LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ）
• LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有单一的–NaFeO2型层状岩盐结构，空间点群为R3m。 a=0.4904nm，c=1.3884nm。
• LiCoO2循环性能较优越。 • 钴的自然资源有限，价格昂贵。降低氧化钴锂的成本，提高在较高温度(<65 C )下的
循环性能和增加可逆容量是目前研究方向。 • 采用的方法主要有掺杂和包覆。
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锂离子电池的正极材料（ LiNiO2 ）
• Ni资源丰富，价格便宜。 • LiNiO2实际容量可达190~210mAh/g，明显高于LiNiO2 。 • 当Li1-xNiO2中x<0.5时，能保持结构的完整性。 • 无污染，和多种电解液有良好的相容性。 • LiNiO2制备困难，要求富氧气氛，工艺条件要求高。 • 热稳定性差，易产生安全问题。 • 改性主要采用溶胶-凝胶法，加入掺杂元素和进行包覆。
锂离子电池的发展历史
• 锂一次电池 不可充电
• 锂二次电池 安全性能不高
• 锂离子二次电池
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锂离子电池的发展历史 • 20世纪70年代，埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，
金属锂作为负极材料，制成首个锂二次电池。 • 1980年，J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。 • 1982年伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有
碳材料及其在锂离子电池中的应用
碳材料及其在锂离子电池中的应用随着全球环保意识的增强，低碳经济和清洁能源越来越受到人们的重视，而新能源汽车的发展也开始进入快速发展的阶段。
作为新能源汽车重要的储能设备之一，锂离子电池的性能亦成为了厂商关注的焦点之一。
而在锂离子电池中，碳材料的作用不可小觑。
碳材料是一种非常普遍的材料，它具有很多优异的性质，例如化学稳定、导电性好、电化学活性佳、机械强度高等。
在锂离子电池中，碳材料主要承担“负极集流体”的作用，它的主要功能是将负极材料固定在集流体上，并且提供电容，以便储存锂离子，使其充电和放电能够正常进行，并且在循环充放电过程中保证较高的稳定性和循环寿命。
在现代锂离子电池中，碳材料主要分为天然石墨和人工合成碳材料两种。
天然石墨是来自石墨矿的天然石墨粉末，主要由碳元素组成，其制备过程简单，成本较低，同时也具有较好的电导性、耐腐蚀性和化学稳定性，因此广泛应用于锂离子电池中。
而人工合成碳材料则是将天然石墨或其他碳源通过碳热还原、CVD、炭化等方式制得的无定形碳材料，其制备过程更加复杂，但其纯度、晶体结构和形貌可控性更好，性能更加优异，因此被认为是未来锂离子电池中的应用方向。
除了天然石墨和人工合成碳材料，还有其他一些碳材料也被发现有望应用于锂离子电池中，例如类石墨烯材料、碳纳米管等。
这些材料由于其结构的特殊性，具有更好的电化学性能，未来也有可能成为新型锂离子电池中的重要负极材料。
碳材料在锂离子电池中的作用不仅限于负极材料，它在正极材料和电解液中的应用也逐渐被人们所重视。
在正极材料中，碳材料可以作为镀金金属氧化物（如LiCoO2）中的导电剂和稳定剂，以增加其稳定性和电化学性能。
在电解液中，碳材料可以作为固体电解质膜的主要组成部分，以提高其稳定性、电导率和锂离子传输速率。
总之，碳材料在现代锂离子电池中发挥着重要的作用，无论是天然石墨、人工合成碳材料，还是类石墨烯材料、碳纳米管等新型碳材料都有着广阔的应用前景。
随着锂离子电池的应用领域不断扩大，相关科学家和工程师正在不断努力研发出更加优异的碳材料，以推动新能源汽车等领域的发展。
碳材料在储能领域中的发展应用
碳材料在储能领域中的发展应用近年来，随着现代工业的飞速发展和能源的日益消耗，储能领域也愈加重要。
作为一个可持续的清洁能源，太阳能和风能等可再生能源被广泛应用，但由于它们季节性和不稳定性的缺点，储存电能的需求更加迫切。
而碳材料在储能领域的发展应用，成为了一个备受关注的话题。
碳材料作为一类优良的金属材料，具有优异的导电性、高比表面积和极佳的化学惰性，不仅可以应用于透明电极、导电银浆、电极电容器和晶体管等领域，在储能领域也有着广泛的应用前景。
首先，碳材料可以应用于锂离子电池。
锂离子电池是目前最流行的电池之一，可以应用于手机、电动汽车、笔记本电脑、航空宇航领域等。
碳材料可以作为锂离子电池的负极材料，具有高比容量、卓越的循环稳定性和优异的电解液润湿性，使其成为了锂离子电池最重要的材料之一。
除此之外，碳材料还可以作为锂离子电池的导电剂，使电池性能更加稳定。
其次，在超级电容器领域，碳材料也有着极为广泛的应用。
超级电容器具有快速充放电速度、长寿命和高功率密度等优点，被广泛地应用于新能源汽车、光伏储能和风能储能等领域。
碳材料可以作为电极材料用于超级电容器，其极大的比表面积、优异的导电性和可调性的孔径尺寸，使得超级电容器的性能得到了极大的提升。
除此之外，碳材料还可以应用于燃料电池、储氢领域等。
燃料电池是一种将氢气、甲醇或天然气等燃料在低温下催化氧化产生电能的装置，被认为是未来能源领域的重要发展方向。
碳材料可以作为燃料电池的电极材料，作为电流的导体，有助于提高燃料电池的稳定性、长寿命性和抗震性。
总的来说，碳材料在储能领域的发展应用是一个多方面、多领域的主题。
碳材料以其优异的性质和性能，在锂离子电池、超级电容器、储氢和燃料电池等领域都有着广泛的应用前景。
在未来，碳材料在储能领域的研究和应用将继续前进，助力人类建设更加安全、高效、低碳的新型能源领域。
锂离子电池正极材料的选择
缺点
价格昂贵； 抗过充电性能差； 循环寿命较低； 有污染性。 充放电过程中结构会逐渐改变，导 致容量衰减，寿命降低； 较高工作温度下会溶解。
三元材料 磷酸铁锂
电化学性能稳定；
价格随钴的价格上下浮动大；
放电电压范围宽；
有污染性；
比能量高； 循环性能好。
制作用金属材料钴稀缺。
最环保，铁资源丰富；
本征电导率低，低温性能差；
(2)动力电源 随着世界能源紧张、传统能源（油、煤）使用所造成的环境污染
加重，而急需“环保型能源”代替；于是，太阳能、风能、潮汐能的 开发相继问世，这些清洁能源有一个共同特点，即为其动力来源在时 间上不连续，因而必须在其高峰期将所产生的电能储存下来，以便低 峰时使用。因此大容量的二次电池便成为清洁能源的重要组件；大容 量的二次电池也成为电动汽车的理想动力源，并且在航空、航天、航 海中有广泛的用处。
与钴酸锂正极材料比较，具有价格优势，同时在循环稳定性、热 稳定性和安全性能上有所改善，具有广阔的市场前景。但该种材料的 原料之一——钴的价格波动大，对钴酸锂的价格影响较大。钴处于价 格高位时，三元材料价格较钴酸锂低，具有较强的市场竞争力；但钴 处于价格低位时，三元材料相较于钴酸锂的优势就大大减小。随着性 能更加优异的磷酸铁锂的技术开发，三元材料也被认为是磷酸铁锂大 规模生产前的过渡材料。 3、尖晶石锰酸锂LiMn2O4
图1 锂离子电池工作原理
为了满足便携电子设备小型化、轻量化发展需求，锂离子电池自 大规模商用化以来，凭借其放电电压高、能量密度高和循环寿命长等 优势，近年来逐渐取代了铅酸、镍镉、镍氢等传统二次电池，担负着 电子设备用小型二次电池的主要角色。随着市场的多元化，使其市场 容纳量越来越扩大，而且期待其大规模应用于电动汽车、储能电站等 用途方面，其应用领域主要有以下三个方面：
锂二次电池用正极活性材料、其制造方法和包含所述正极活性材料的
专利名称：锂二次电池用正极活性材料、其制造方法和包含所述正极活性材料的锂二次电池
专利类型：发明专利
发明人：李初珑,金伦耕
申请号：CN201980051112.0
申请日：20191029
公开号：CN112514112A
公开日：
20210316
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种锂二次电池用正极活性材料、其制造方法和包含所述正极活性材料的锂二次电池，所述锂二次电池用正极活性材料通过将各种碳与正极活性材料混合并进行使用而可以改善电池性能。
所述锂二次电池用正极活性材料包含两种以上的活性材料复合物，在所述活性材料复合物中硫被负载在其中所含的碳材料上，其中所述两种以上的活性材料复合物中的任一种活性材料复合物中所含的碳材料在平均粒度和形状中的至少一者方面不同于另一种活性材料复合物中所含的碳材料。
申请人：株式会社LG化学
地址：韩国首尔
国籍：KR
代理机构：中原信达知识产权代理有限责任公司
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• 规格：
溶剂组成 DMC:EMC:EC =1:1:1 （重量比）（碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸乙酯）
LiPF6浓度 1mol/l • 质量指标：
密度（25℃）g/cm3 1.23±0.03
水分（卡尔费休法） ≤20ppm
游离酸（以HF计） ≤50ppm
电导率（25℃）
10.4±0.5 ms／cm
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第五章 储能碳材料
第一讲 锂离子二次电池电极材料
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一、电池背景知识
电池的种类
从作用上来分类
・化学电池；利用化学变化 （蓄电池），燃料电池
・物理电池；把外来能源转变成电力能源的装置 (太阳能电池)
按电池的化学物质来源分类
・一次电池；指不能发生可逆反应，只能单向放电的电池 ・二次电池；放电以后化学材料又回到原来的状态，
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2020 18000 22500
9000 49500
5500 4500 3500 5000 11500 26500 7600107
四、锂离子电池碳负极材料
1.以石墨为电极的理论容量
3861 6.941 866 12 2 6.941
理论容量为 967mAh/g
3861 6.941 339 12 6 6.941
理论容量为 372mAh/g
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2. 碳材料的结构与充放电容量
碳材料因石墨化后结构的不同可分为软碳和硬碳两类。所谓软碳， 就是经过2600℃以上高温处理后结构趋近于石墨的碳；硬碳则是乱层 程度很高，即使高温处理后结构也离石墨结构相去甚远的碳。“软”、 “硬”取决于原料，也取决于制备工艺。一般经过中间相转化的碳都 是可石墨化的软碳，直接经气相或固相碳化得到的碳为硬碳。
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➢ 1990年，Sony公司首次推出了以LiCoO2为正极、石油焦 为负极的锂离子电池，该电池的工作电压为3.6V，能量 密度高达120～150Whkg-1。
➢ 1990年代初Valence和Danionics等公司提出金属锂和复合 聚合物电解质的一种复合锂电池(Li-HPE)
➢ 2008年，全世界锂离子电池市场规模110亿美元，主要制 造和生产国家是日、中、韩。其中日本50％，中国25％， 韩国20％
锂离子电池材料市场合计 锂离子电池和材料总计
2008 8000
50 3000 11000 1150
330 500 1050 1420 4450 15450
2012 11700
800 4500 17000 1650
750 800 1500 2550 7250 24250
2015 14500
3600 7200 25300 2450 1350 1250 2200 4250 11500 36800
能获得最大的质量能量密度
7
二、锂离子电池发展历史简介
➢ 1958年，Harris博士在其论文中首先提出了锂电池的概念。 ➢ 1972年，电化学嵌入的概念与其电压应用被明确地提了出来。 ➢ 1972年，Exxon用TiS2作为正极，用金属锂作为负极，以有机溶
剂稀释的高氯酸锂作为电解质，做成了第一个性能较好的锂电 池。 ➢ 上世纪80年代末和90年代初，Murphy和Scrosati等人提出，用含 锂化合物来替代金属锂作为负极材料，即所谓的摇椅电池 （Rocking Chair Batteries）技术。
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（3）隔膜
材质：单层PE（聚乙烯）或者 三层复合PP（聚丙烯） +PE+PP
厚度：单层一般为0.016～0.020mm 三层一般为0.020～0.025mm
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（4）电解液－ LiPF6
• 性质：
无色透明液体，具有较强吸湿性。
• 应用：
主要用于可充电锂离子电池的电解液，只能在干燥环境下使用操作（如环境 水分小于20ppm的手套箱内）。
再生（充电），可以反复充电放电的。
2
原电池工作原理
3
组成：
正负两个半电池（电极）及盐桥
Cu-Zn电池 正极 Cu2+/Cu 负极Zn2+/Zn
电池反应：
正极 还原反应
Cu2+ + 2e-→ Cu
负极 氧化反应
Zn →Zn + 2e-
原电池的电动势
原电池的电动势为电池电流为零时,两电极的电势之差, 即
锂离子电池材料
正极活性物质
负极活性物质
电解质 溶剂 隔膜 粘接剂 集电体 绝缘材料 密封材料 安全措施
Li1+xV3O8，Li2FeO4，LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4 （尖晶石结构），LiMnO2（层状结构），LiFePO4 等
碳材料（天然石墨、人造石墨、MCMB） 钛酸锂、硅、锡氧化物
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三、锂离子电池原理及结构
锂离子电池的容量取决于x 的大小，功率特性取决于 锂离子在两极的扩散和插 层速度。
正极 LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe
负极
6C + xLi+ + xe LixC6
电池 6C + LiCoO2 LixC6 + Li1-xCoO2
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锂离子电池结构
LiPF6、LiBF4 环状碳酸酯、PC、EC、DMC、DEC、EMC
PE、PP、PP/PE/PP
PVDF、PTFE、SBR
Al(+)/Cu(-)
电池内/电池外用
电池封口、安全阀、包装材料
保护电路、PTC
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锂离子电池及材料和相关市场预测
产品应用市场（百万美元） 便携式移动设备电源 储能和车用动力电池 电动工具等其他领域 锂离子电池市场合计 正极材料 负极材料 电解液 隔膜 其他材料
垫片
正极接触点 排气阀门
正极 （铝罐）
负极接线柱 封口板
负极接触点
隔离板 负极板 隔离板 正极板
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（1）正极
正极物质：钴酸锂+碳黑+PVDF
正极基体：铝箔（约0.020mm厚)
正极集流体：铝带（约0.1mm厚）
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（2）负极
负极集流体：镍带（约0.07mm厚）
负极基;CMC+SBR
E = 正 – 负
如Cu-Zn原电池的电动势
E =(Cu2+/Cu) – (Zn2+/Zn)
4
主要元素的氧化还原电位
电极反应
电 极 电 位
镍 氢 电 池
锂 离 子 电
池
5
各种电池活性物质的比容量
负极活物质 氧化换算
电子数
比容量
正极活物质 还原换算
电子数
比容量
6
金属锂的优点
金属中原子量最小，因此电化学当量最小 （0.26g/Ah） 标准电极电位最低 （-3.045V ），电位高