电动汽车培训课件(ppt 75页)
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❖ 本章将重点介绍锂离子电池的工作原理、正负 极材料、失效机理、充放电特性及其相关的热特 性、安全性等。
本章学习目标
❖ 1.掌握锂离子动力电池的储能原理与结构 ❖ 2.掌握锂离子动力电池的性能及检测 ❖ 3.了解锂离子动力电池的应用
第5章锂离子动力电池及其应用 1.锂离子动力电池的储能原理与结构
❖ 氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系， 包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其他氧化
物。前两者虽具有较高理论比容量，但因从氧化
物中置换金属单质消耗了大量锂而导致巨大容量 损失，抵消了高容量的优点；Li4Ti5O12具有尖 晶石结构，充放电曲线平坦，放电容量为 150mA·h／g，具有非常好的耐过充、过放特 征，充放电过程中晶体结构几乎无变化(零应变材 料)，循环寿命长，充放电效率近100％，目前 在储能型锂离子电池中有所应用。
▪ LiCoO2 ▪ LiNiO2
❖ 2.尖晶石型结构
▪ LiMn2O4
❖ 3.橄榄石型结构
▪ LiFePO4
❖ LiCoO2具有放电电压高、性能稳定、易于合成 等优点。但钴资源稀少，价格较高，并且有毒， 污染环境。目前主要应用在手机、笔记本等中小 容量消费类电子产品中。
❖ 镍与钴的性质非 常相近，而价格 却比钴低很多， 井且对环境污染 较小。
图5-2层状LiCoO2的结构示意图
❖ Mn元素含量丰富，价格便宜，毒性远小于过渡 金属Co、Ni等。主要缺点是电极的循环容量容 易迅速衰减，原因主要有：
▪ ①LiMn2O4的正八面体空 隙发生变化产生四方畸变
▪ ②LiMn204中的锰易溶解于 电解液中而造成流失
▪ ③电极极化引起内阻增大
图5-3尖晶石型结构与层状结构对比示意图
目录
第1章 电动汽车与动力电池发展历程 第2章 电动汽车动力电池基本知识 第3章 铅酸动力电池及其应用 第4章 碱性动力电池及其应用 第5章 锂离子动力电池及其应用 第6章 用于电动汽车的其他动力源 第7章 电动汽车电源管理系统
【引入】
❖ 自20世纪90年代锂离子电池面世以来，就以其 能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、环境友 好等优点成为动力电池应用领域研究的热点。近 年来，锂离子电池已经成为电动车辆用动力电池 的主体。
2.锂离子动力电池的性能及检测 3.锂离子动力电池的应用
1.锂离子动力电池的储能原理与结构
1 锂离子动力电池的类型
2 锂离子动力电池的工作原理 3 锂离子电池正极材料
4 锂离子电池负极材料
5
锂离子电池的优点
锂离子动力电池的类型
❖ 根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电 池可以分为液态锂离子电池(Lithium Ion Battery，LIB)和聚合物锂离子电池 (Polymer Lithium Ion Battery，LIP)两 大类。它们的主要区别在于电解质不同，液态锂 离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子 电池则以聚合物电解质来代替。不论是液态锂离 子电池还是聚合物锂离子电池，它们所用的正负 极材料都是相同的，工作原理也基本一致。
❖ 被用来作为电极材料的嵌入式化合物均为过渡金 属氧化物。
❖ 充放电循环过程中，锂离子会在金属氧化物的电 极上进行反复的嵌入和脱出反应，因此，金属氧 化物结构内氧的排列和其稳定性是电极材料的一 个重要指标。
❖ 作为嵌入式电极材料的金属氧化物，依其空间结 构的不同主要可分为以下三种类型。
❖ 1.层状化合物
❖ LiFePO4中的强共价键作用使其在充放电过程中 能保持晶体结构的高度稳定性，因此具有比其他 正极材料更高的安全性能和更长的循环寿命。另 外LiFePO4有原材料来源广泛、价格低廉、无环 境污染、比容量高等优点。
图5-5橄榄石型LiFePO4 的结构示意图
锂离子电池负极材料
❖ 负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键 因素之一，比容量高、容量衰减率小、安全性能 好是对负极材料的基本要求。
❖正极反应式： LiMO2 Li1x MO2 xLi xe ❖负极反应式： nC xLi xe LixCn ❖电池反应式： LiMO2 nC Li1x MO2 LixCn ❖式中 M—Co、Ni、W、Mn等金属元素。
图5-1钴酸锂离子电池工作原理
锂离子电池正极材料
❖ 锂离子二次电池正极材料是具有能使锂离子较为 容易地嵌入和脱出，并能同时保持结构稳定的一 类化合物——嵌入式化合物。
❖ 金属锂是最先采用的负极材料，理论比容量为 3860mA·h／g。20世纪70年代中期，金属锂 在商业化电池中得到应用。但因充电时，负极表 面会形成枝晶，导致电池短路，于是人们开始寻 找一种能替代金属锂的负极材料。
锂离子动力Байду номын сангаас池的工作原理
❖ 锂离子电池在原理上实际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，正极采用锂化 合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂碳层间 化合物LiC6，电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液。经 过Li+在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和 放电过程。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌人负极 ，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，保持负极的电平衡。放电时则 相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处 于富锂态，负极处于贫锂态。正常充放电情况下，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的变化，不破坏晶体结构；在放电 过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电 的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。
图5-6锂离子电池的负极材料
❖ 石墨是锂离子电池碳材料中应用最早、研究最多 的一种，其具有完整的层状晶体结构。石墨的层 状结构，有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂一 石墨层间化合物，其理论最大放电容量为 372mA·h／g，充放电效率通常在90％以上。 锂在石墨中的脱／嵌反应主要发生在0～0 .25V 之间(相对于Li+/Li)，具有良好的充放电电压平 台，与提供锂源的正极材料匹配性较好，所组成 的电池平均输出电压高，是一种性能较好的锂离 子电池负极材料。
本章学习目标
❖ 1.掌握锂离子动力电池的储能原理与结构 ❖ 2.掌握锂离子动力电池的性能及检测 ❖ 3.了解锂离子动力电池的应用
第5章锂离子动力电池及其应用 1.锂离子动力电池的储能原理与结构
❖ 氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系， 包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其他氧化
物。前两者虽具有较高理论比容量，但因从氧化
物中置换金属单质消耗了大量锂而导致巨大容量 损失，抵消了高容量的优点；Li4Ti5O12具有尖 晶石结构，充放电曲线平坦，放电容量为 150mA·h／g，具有非常好的耐过充、过放特 征，充放电过程中晶体结构几乎无变化(零应变材 料)，循环寿命长，充放电效率近100％，目前 在储能型锂离子电池中有所应用。
▪ LiCoO2 ▪ LiNiO2
❖ 2.尖晶石型结构
▪ LiMn2O4
❖ 3.橄榄石型结构
▪ LiFePO4
❖ LiCoO2具有放电电压高、性能稳定、易于合成 等优点。但钴资源稀少，价格较高，并且有毒， 污染环境。目前主要应用在手机、笔记本等中小 容量消费类电子产品中。
❖ 镍与钴的性质非 常相近，而价格 却比钴低很多， 井且对环境污染 较小。
图5-2层状LiCoO2的结构示意图
❖ Mn元素含量丰富，价格便宜，毒性远小于过渡 金属Co、Ni等。主要缺点是电极的循环容量容 易迅速衰减，原因主要有：
▪ ①LiMn2O4的正八面体空 隙发生变化产生四方畸变
▪ ②LiMn204中的锰易溶解于 电解液中而造成流失
▪ ③电极极化引起内阻增大
图5-3尖晶石型结构与层状结构对比示意图
目录
第1章 电动汽车与动力电池发展历程 第2章 电动汽车动力电池基本知识 第3章 铅酸动力电池及其应用 第4章 碱性动力电池及其应用 第5章 锂离子动力电池及其应用 第6章 用于电动汽车的其他动力源 第7章 电动汽车电源管理系统
【引入】
❖ 自20世纪90年代锂离子电池面世以来，就以其 能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、环境友 好等优点成为动力电池应用领域研究的热点。近 年来，锂离子电池已经成为电动车辆用动力电池 的主体。
2.锂离子动力电池的性能及检测 3.锂离子动力电池的应用
1.锂离子动力电池的储能原理与结构
1 锂离子动力电池的类型
2 锂离子动力电池的工作原理 3 锂离子电池正极材料
4 锂离子电池负极材料
5
锂离子电池的优点
锂离子动力电池的类型
❖ 根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电 池可以分为液态锂离子电池(Lithium Ion Battery，LIB)和聚合物锂离子电池 (Polymer Lithium Ion Battery，LIP)两 大类。它们的主要区别在于电解质不同，液态锂 离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子 电池则以聚合物电解质来代替。不论是液态锂离 子电池还是聚合物锂离子电池，它们所用的正负 极材料都是相同的，工作原理也基本一致。
❖ 被用来作为电极材料的嵌入式化合物均为过渡金 属氧化物。
❖ 充放电循环过程中，锂离子会在金属氧化物的电 极上进行反复的嵌入和脱出反应，因此，金属氧 化物结构内氧的排列和其稳定性是电极材料的一 个重要指标。
❖ 作为嵌入式电极材料的金属氧化物，依其空间结 构的不同主要可分为以下三种类型。
❖ 1.层状化合物
❖ LiFePO4中的强共价键作用使其在充放电过程中 能保持晶体结构的高度稳定性，因此具有比其他 正极材料更高的安全性能和更长的循环寿命。另 外LiFePO4有原材料来源广泛、价格低廉、无环 境污染、比容量高等优点。
图5-5橄榄石型LiFePO4 的结构示意图
锂离子电池负极材料
❖ 负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键 因素之一，比容量高、容量衰减率小、安全性能 好是对负极材料的基本要求。
❖正极反应式： LiMO2 Li1x MO2 xLi xe ❖负极反应式： nC xLi xe LixCn ❖电池反应式： LiMO2 nC Li1x MO2 LixCn ❖式中 M—Co、Ni、W、Mn等金属元素。
图5-1钴酸锂离子电池工作原理
锂离子电池正极材料
❖ 锂离子二次电池正极材料是具有能使锂离子较为 容易地嵌入和脱出，并能同时保持结构稳定的一 类化合物——嵌入式化合物。
❖ 金属锂是最先采用的负极材料，理论比容量为 3860mA·h／g。20世纪70年代中期，金属锂 在商业化电池中得到应用。但因充电时，负极表 面会形成枝晶，导致电池短路，于是人们开始寻 找一种能替代金属锂的负极材料。
锂离子动力Байду номын сангаас池的工作原理
❖ 锂离子电池在原理上实际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，正极采用锂化 合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂碳层间 化合物LiC6，电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液。经 过Li+在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和 放电过程。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌人负极 ，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，保持负极的电平衡。放电时则 相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处 于富锂态，负极处于贫锂态。正常充放电情况下，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的变化，不破坏晶体结构；在放电 过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电 的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。
图5-6锂离子电池的负极材料
❖ 石墨是锂离子电池碳材料中应用最早、研究最多 的一种，其具有完整的层状晶体结构。石墨的层 状结构，有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂一 石墨层间化合物，其理论最大放电容量为 372mA·h／g，充放电效率通常在90％以上。 锂在石墨中的脱／嵌反应主要发生在0～0 .25V 之间(相对于Li+/Li)，具有良好的充放电电压平 台，与提供锂源的正极材料匹配性较好，所组成 的电池平均输出电压高，是一种性能较好的锂离 子电池负极材料。