锂离子电池原理及基础知识介绍ppt
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锂 氧 钴
V 4
Irr 3
0
钴酸锂的电性能
首次充电 首次放电
Rev
• 可逆容量： ~140mAh/g
• 平台: ~3.9-4.0V
• 电压范围: ~3.0-4.3V
50
100
150
mAh/g
钴酸锂的电性能
0mAh/g 5.0
137mAh/g
200mAh/g
过充区域
4.0
LiCoO2
安全使用范围
极度危 完全失
应用领域 的深化和
拓展
锂离子电池应用
锂离子电池种类
• 按外形：圆柱形、方形、异形 • 按包装材质：钢壳、铝壳、铝塑软包装 • 按电解液：液态锂离子、凝胶聚合物、固
体聚合物 • 按构造：层叠式、卷绕式 • 按性能：高能量、高功率（高倍率） • 按应用：便携小器件、电动能源
锂离子电池特点
• 优点：
• 隔离膜在电池中会老化吗？
我们的集流体
• 粉末正、负极材料的家
–构成电极的一部分 –汇集电流 –正极：铝箔 –负极：铜箔
• 如果负极用铝箔呢？对集流体有哪些要求？
SUCCESS
THANK YOU
2020/1/10
包装箔有几层？
• 我们的包装箔是多层铝塑复合材料 • 每层有各自的功能 • 对包装箔的保护要注意哪些方面？
• 链状脂的作用：
–稀释电解液 –部分电离盐的作用
• 一般使用状态：
–25－50％环状脂＋75－50％链状脂 – 1M LiPF6 –水分、HF<20ppm
电解液对电池的影响
• SEI
–电解液对SEI层质量起主导作用
• 内阻
–产生一定的内阻 –大电流时的浓差极化较大
• 热稳定性
–高温时部分溶剂可能气化，鼓胀电池 –盐在高温下分解加速
锂离子电池工作原理
• 电池首次充电放电过程叫电池活化：
–正、负极材料表面形成的SEI层，构成稳定的界面。 –去除大部分杂质 –形成稳定的电化学体系
• 活化过程会消耗部分能量，构成了不可逆容量部 分
• SEI层的质量很大程度上决定了电池的质量
SEI层是什么？
• 相当于一个保护钝化膜，是通过电化学钝化形成的，厚度 为纳米级。
石墨和石墨层间化合物
c
b
a
• 锂离子存储在石墨层中，以一定的结构形式存在，形 成化合物LixC6(0≤x ≤ 1) ，称之为石墨层间化合物 （GICs)，不同x对应不同状态GICs。
石墨的电性能
• 几个平台？
• 平台：0.3-0.05V
Irr
Rev
• 可逆容量：~300-
360mAh/g
SEI
• 不可逆容量：首次充电
险区域 效区域
3.0
LiCoO2
Li0.5CoO2
Li0.8CoO2
锂离子电池负极材料
• 种类：
–炭材料家族：人造石墨、天然石墨、硬炭 –非炭类：硅炭、锡合金
• 结构（石墨）：
–层状结构
• 特点：
–黑色固体粉末 –真实密度～2.2g/cc，振实密度～1.1g/cc，粒度～
20um –容量～340mAh/g
• 锂离子在正、负 极之间循环旅游， 这个旅游过程表 现为电池放电或 充电
锂离子电池工作原理
正极：
LiCoO2 充放电电//嵌脱入嵌 Li1-xCoO2 +xLi+ +xe_
负极：
6C+xLi+ +xe_ 充放电电//嵌脱入嵌 LixC6
总的反应：
6C+LiCoO2 充放电电//嵌脱入嵌 Li1-xCoO2 +LixC6
• 结构：
– 层状结构 – 三维隧道结构
• 特点（钴酸锂）：
– 蓝黑色固体粉末 – 易吸潮 – 真实密度～5g/cc，振实密度～2.5g/cc，粒度～8um – 容量～140mAh/g
钴酸锂
• 钴原子层、氧原子层和锂原子层 交替堆叠而成的层状晶体结构
• 化学式：LixCoO2 • 通过高温烧结制造的陶瓷材料
• 主要成分是电解液中成分在正、负极表面分解的产物：
– 无机锂：LiF, Li2O – 有机锂：LiR
• 特点：锂离子导通，电子绝缘！！！ • SEI层对负极尤为重要 • SEI层的重要意义：
–能量密度高 –单电池电压高 –污染小，绿色环保
• 不足:
–安全（在逐步提高） –价格（现在很便宜了）
锂离子电池的构造
• 五要素：
–正极材料：含锂的过渡族金属化合物 –负极材料：炭材料 –隔离膜：PP、PE类 –电解液：含锂盐的有机电解液 –包装：软包装、钢壳、铝壳
锂离子电池正极材料
• 种类：
– Ni、Co、Mn的化合物：钴酸锂，镍锰钴锂，镍钴锂，尖锰 – 磷酸盐类：磷酸铁锂，磷酸钒锂
锂离子电池基础知识
Sept., 2010
锂离子电池的历史
• 人类对便携能源的追求：高能量密度，高性能， 方便快捷，经济环保
不懈追求 Li 高能电池
聚合物电 90 年代 聚合物锂
解质
离子
固体电解质
锂电池
二次电池 70年代
安全 问题
1989 年 安全活性材料
繁荣的锂 离子电池
炭负极
1993 年 石墨负极 锂离子
过程损失部分
充电后的负极石墨
• 颜色变化
–黑色－－淡蓝色－－黄褐色－－金黄色 –观察我们的负极
• 化学活性
–非常活泼，遇空气易氧化，遇水剧烈反应 –拆电池时要注意
• 热稳定性
–温度越高越活泼，热稳定性差
锂离子电池电解液
• 溶剂－有机碳酸脂溶剂
– 环状脂：EC、PC、GBL – 链状脂：DEC、DMC、EMC、MPC
尼龙层
铝箔层
PP
尼铝
铝塑包装箔 龙 箔 层层
层
PP层
锂离子电池工作原理
放电 e
负载
充电 e
_
+
e e e e e 集流体
Li+ Li+ Li+ Li+
LixC6 负极
Charge Li+
源自文库
e Li+
Discharge Li+
Li+
Li+
Li+
Electrolyte
Li1-xCoO2 正极
e e 集流体
• 盐－大阴离子锂盐
– LiPF6、LiBF4
• 特点：
– 密度：～1.2g/cc – 电导率：~8mS·cm – 粘度：～3.5mPa·s（大约是水的三倍） – 要求极低的水分含量（我们在充氮气手套箱中灌注电解液） – 控制HF含量
锂离子电池电解液
电解液作用
• 环状脂的作用：
–电解质盐强电离溶剂 –高沸点
• 安全
–有氧化燃烧的危险
锂离子电池隔离膜
• 多孔有机高分子膜（某些聚合物电池例 外）：PP膜、PE膜、复合膜
• 特点：
–孔隙率：～45％ –孔径：<0.5um –强度：MD，TD –厚度：～20um –收缩率：～2％
隔离膜
• 隔离膜对电池性能的影响和如何避免
–内阻：影响离子传导有效面积和距离 –自放电 –安全问题
V 4
Irr 3
0
钴酸锂的电性能
首次充电 首次放电
Rev
• 可逆容量： ~140mAh/g
• 平台: ~3.9-4.0V
• 电压范围: ~3.0-4.3V
50
100
150
mAh/g
钴酸锂的电性能
0mAh/g 5.0
137mAh/g
200mAh/g
过充区域
4.0
LiCoO2
安全使用范围
极度危 完全失
应用领域 的深化和
拓展
锂离子电池应用
锂离子电池种类
• 按外形：圆柱形、方形、异形 • 按包装材质：钢壳、铝壳、铝塑软包装 • 按电解液：液态锂离子、凝胶聚合物、固
体聚合物 • 按构造：层叠式、卷绕式 • 按性能：高能量、高功率（高倍率） • 按应用：便携小器件、电动能源
锂离子电池特点
• 优点：
• 隔离膜在电池中会老化吗？
我们的集流体
• 粉末正、负极材料的家
–构成电极的一部分 –汇集电流 –正极：铝箔 –负极：铜箔
• 如果负极用铝箔呢？对集流体有哪些要求？
SUCCESS
THANK YOU
2020/1/10
包装箔有几层？
• 我们的包装箔是多层铝塑复合材料 • 每层有各自的功能 • 对包装箔的保护要注意哪些方面？
• 链状脂的作用：
–稀释电解液 –部分电离盐的作用
• 一般使用状态：
–25－50％环状脂＋75－50％链状脂 – 1M LiPF6 –水分、HF<20ppm
电解液对电池的影响
• SEI
–电解液对SEI层质量起主导作用
• 内阻
–产生一定的内阻 –大电流时的浓差极化较大
• 热稳定性
–高温时部分溶剂可能气化，鼓胀电池 –盐在高温下分解加速
锂离子电池工作原理
• 电池首次充电放电过程叫电池活化：
–正、负极材料表面形成的SEI层，构成稳定的界面。 –去除大部分杂质 –形成稳定的电化学体系
• 活化过程会消耗部分能量，构成了不可逆容量部 分
• SEI层的质量很大程度上决定了电池的质量
SEI层是什么？
• 相当于一个保护钝化膜，是通过电化学钝化形成的，厚度 为纳米级。
石墨和石墨层间化合物
c
b
a
• 锂离子存储在石墨层中，以一定的结构形式存在，形 成化合物LixC6(0≤x ≤ 1) ，称之为石墨层间化合物 （GICs)，不同x对应不同状态GICs。
石墨的电性能
• 几个平台？
• 平台：0.3-0.05V
Irr
Rev
• 可逆容量：~300-
360mAh/g
SEI
• 不可逆容量：首次充电
险区域 效区域
3.0
LiCoO2
Li0.5CoO2
Li0.8CoO2
锂离子电池负极材料
• 种类：
–炭材料家族：人造石墨、天然石墨、硬炭 –非炭类：硅炭、锡合金
• 结构（石墨）：
–层状结构
• 特点：
–黑色固体粉末 –真实密度～2.2g/cc，振实密度～1.1g/cc，粒度～
20um –容量～340mAh/g
• 锂离子在正、负 极之间循环旅游， 这个旅游过程表 现为电池放电或 充电
锂离子电池工作原理
正极：
LiCoO2 充放电电//嵌脱入嵌 Li1-xCoO2 +xLi+ +xe_
负极：
6C+xLi+ +xe_ 充放电电//嵌脱入嵌 LixC6
总的反应：
6C+LiCoO2 充放电电//嵌脱入嵌 Li1-xCoO2 +LixC6
• 结构：
– 层状结构 – 三维隧道结构
• 特点（钴酸锂）：
– 蓝黑色固体粉末 – 易吸潮 – 真实密度～5g/cc，振实密度～2.5g/cc，粒度～8um – 容量～140mAh/g
钴酸锂
• 钴原子层、氧原子层和锂原子层 交替堆叠而成的层状晶体结构
• 化学式：LixCoO2 • 通过高温烧结制造的陶瓷材料
• 主要成分是电解液中成分在正、负极表面分解的产物：
– 无机锂：LiF, Li2O – 有机锂：LiR
• 特点：锂离子导通，电子绝缘！！！ • SEI层对负极尤为重要 • SEI层的重要意义：
–能量密度高 –单电池电压高 –污染小，绿色环保
• 不足:
–安全（在逐步提高） –价格（现在很便宜了）
锂离子电池的构造
• 五要素：
–正极材料：含锂的过渡族金属化合物 –负极材料：炭材料 –隔离膜：PP、PE类 –电解液：含锂盐的有机电解液 –包装：软包装、钢壳、铝壳
锂离子电池正极材料
• 种类：
– Ni、Co、Mn的化合物：钴酸锂，镍锰钴锂，镍钴锂，尖锰 – 磷酸盐类：磷酸铁锂，磷酸钒锂
锂离子电池基础知识
Sept., 2010
锂离子电池的历史
• 人类对便携能源的追求：高能量密度，高性能， 方便快捷，经济环保
不懈追求 Li 高能电池
聚合物电 90 年代 聚合物锂
解质
离子
固体电解质
锂电池
二次电池 70年代
安全 问题
1989 年 安全活性材料
繁荣的锂 离子电池
炭负极
1993 年 石墨负极 锂离子
过程损失部分
充电后的负极石墨
• 颜色变化
–黑色－－淡蓝色－－黄褐色－－金黄色 –观察我们的负极
• 化学活性
–非常活泼，遇空气易氧化，遇水剧烈反应 –拆电池时要注意
• 热稳定性
–温度越高越活泼，热稳定性差
锂离子电池电解液
• 溶剂－有机碳酸脂溶剂
– 环状脂：EC、PC、GBL – 链状脂：DEC、DMC、EMC、MPC
尼龙层
铝箔层
PP
尼铝
铝塑包装箔 龙 箔 层层
层
PP层
锂离子电池工作原理
放电 e
负载
充电 e
_
+
e e e e e 集流体
Li+ Li+ Li+ Li+
LixC6 负极
Charge Li+
源自文库
e Li+
Discharge Li+
Li+
Li+
Li+
Electrolyte
Li1-xCoO2 正极
e e 集流体
• 盐－大阴离子锂盐
– LiPF6、LiBF4
• 特点：
– 密度：～1.2g/cc – 电导率：~8mS·cm – 粘度：～3.5mPa·s（大约是水的三倍） – 要求极低的水分含量（我们在充氮气手套箱中灌注电解液） – 控制HF含量
锂离子电池电解液
电解液作用
• 环状脂的作用：
–电解质盐强电离溶剂 –高沸点
• 安全
–有氧化燃烧的危险
锂离子电池隔离膜
• 多孔有机高分子膜（某些聚合物电池例 外）：PP膜、PE膜、复合膜
• 特点：
–孔隙率：～45％ –孔径：<0.5um –强度：MD，TD –厚度：～20um –收缩率：～2％
隔离膜
• 隔离膜对电池性能的影响和如何避免
–内阻：影响离子传导有效面积和距离 –自放电 –安全问题