石墨烯材料及其锂离子电池中的应用资料

0℃-45 ℃
2.2-2.8/Wh
-20 ℃-45 ℃
3.5-4.0/Wh
-20 ℃-60
℃
-40 ℃-70 ℃
0.7-1.0/Wh
-20 ℃-60 ℃
3.0-3.5/Wh
2.22.8/wh
充电器成本
高(恒流恒压)
一般(-
△V或△T控 制,恒流源)
一般(-
△V或 △T控制,恒流源)
低(稳压源)
一般(-
△V或△T控 制,恒流源)
二次电池分类
发动机起动电源
锂离子电池基本没有镍源自电池基本没有镍镉电池
袋式电池\铁 路及军工应 用 少量/基本没 有 少量/基本没 有 少量/基本没 有 大量应用 广泛应用 已被取代
铅酸电池
广泛应用于汽 车\船舶等起 动 广泛应用 广泛应用 广泛应用 少量/基本没 有 基本没有 基本没有
负极材料 主导锂离子电池市场的负极材料——石墨 优点：价格低廉，来源广泛。 缺点：电容量小，理论仅为372mAh/g，循环使用衰减大，压实密度低。 未来可能应用的负极材料 —— 非碳基负极材料，例如过渡金属氧化物、硅 基材料和合金材料。 优点：电容量远超于石墨。
缺点：存在一个致命的体积膨胀效应，循环性能较差。
从大体上看看目前锂离子电池遇到的问题： 制造成本高 循环使用寿命低 比容量低于一次电池、镍氢电池等 负极材料容量远高于正极 回收难度大
图2 锂离子电池的成本组成
从电极材料上看锂电池遇到的问题 正极材料 当前市场常见的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、三元材料(镍钴锰酸锂)和
磷酸铁锂。在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁锂是最有前途的正极材料。
160180wh/l
4045wh/kg 氧化还原 恒流充电 -△V/恒流限时
65-80wh/l
25-30wh/kg 氧化还原 恒流充电 限流稳压
170Wh/l
55-60wh/kg 氧化还原 恒流充电 -△V/恒流限时
安全性
环保
有一定隐患
环保
安全
环保
安全
镉污染
安全
铅污染
安全
环保
最佳工作温度
价格(元/Wh)
稳步发展。 根据经济学家预测： 新能源汽车领域锂离子电池需求量将由2009年的0.25GWh爆发式增长至 新能源汽车领域锂离子电池占整个锂离子电池领域也由2009年的1.88% 从2015年开始，电动汽车市场将快速增长，到2020年电动汽车将占整
2015年的35.73GWh 。 快速跃升至2015年的58.74%。 个轿车产量的15-20%，电动车用电池市场将达到400亿美元。
1.2 锂离子电池的工作原理
• 锂离子电池组成：正极、负极、隔膜、线路和外壳 • 正负极材料：可供锂离子嵌入和脱出，电极电位正极＞负极 • 隔膜：通Li+，阻电子 充电：Li+：正极→负极，e：负极→正极 放电：Li+：负极→正极，e：正极→负极
图1 锂离子电池工作原理示意图
1.3 锂离子电池的行业与研究现状
具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出 优点 成为目前综合性能最好的电池体系 并取得了飞速发展。 目前其应用已经渗透到包括移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、 等众多民用及军用领域，另外，国内外也在竞相开发电动汽车、航天和储 能等方面所需的大容量锂离子二次电池。
锂离子电池电动汽车的发展也将稳步向前，进而带动锂离子电池材料的
镍锌电池
基本没有
通讯等备用电源 不间断电源 (UPS) 电动自行车/摩托 车 电动玩具 电动工具 数码产品 (MP3\数码相机 \DVD等) 手机 笔计本电脑
基本没有 基本没有 少量/基本没有 少量 少量/基本没有 大量应用
基本没有 基本没有 基本没有 大量 少量/基本没 有 大量应用/逐 步被取代 已基本被锂 电取代 已基本被锂 电取代
表1 几种负极材料的理论比容量
正极材料 石墨 Si 理论容量 372mAh/g 4200mAh/g 正极材料 理论容量
Cu6Sn5 Sn
SnO2
Fe2O3
608mAh/g 992mAh/g
有机锂盐电解液
3.0V-----3.7V
KOH水溶液
1.2V
KOH水溶液
1.2V
稀硫酸
2.0V
KOH水溶液
1.6V
体积能量密度
重量能量密度 电池原理 充放电方法 充电终点控制
350-400wh/l
180200wh/kg 离子迁移 恒流恒压充电 恒流/限压
320-350wh/l
60-65wh/kg 氧化还原 恒流充电 -△V/恒流限时
石墨烯膜材料在锂离子 电池电极中的应用 ---应用1 负极
二次电池分类 正极体系
锂离子电池 锂过渡金属氧化物
镍氢电池 氢氧化亚镍
镍镉电池 氢氧化亚镍
铅酸电池 二氧化铅
镍锌电池 氢氧化亚镍
负极体系
隔膜体系
石墨等层状物蜘
PP/PEPP、或 PE
储氢合金
PP
氧化镉
尼龙
海绵铅
玻璃纤维棉
氧化锌
玻
电解液体系
标称电压
主导整个可充电锂电池市场的正极材料——LiCoO2。 优点：工作电压高；充放电电压平稳；比能量高（274 mAh•g-1）；循环性
能好。
缺点： Co是战略性稀缺材料，价格昂贵； 抗过充电性能较差 ，存在安全隐 患；使用寿命有限，＜500次。 结论：无法满足大规模应用，难以成为理想的动力电池材料。 LiCoO2的替代品——Li3V2(PO4)3和LiFePO4。 优点：材料成本低，电容量大，使用寿命长达2000次以上。 缺点：生产成本高，工艺不成熟，更重要的是内电阻大，无法适应大密度 电流放电，难以应用于大功率的动力电池。
基本没有 基本没有 少量/基本没 有 基本没有 基本没有 基本没有
大量应用 大量应用
基本没有 基本没有
基本没有 基本没有
基本没有 基本没有
一、研究背景
1.1 锂离子电池的发明
在上世纪,干电池及可充电电池在生产、生活、战争、科研活动中都 发挥了重要作用。但是废旧电池中含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰 及废酸、废碱等，严重污染自然环境，其中镉、铅、汞是对人体危害较 大的物质。著名的日本水俣病和骨痛病就分别为汞中毒和镉离子中毒。 1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新 了消费电子产品的面貌。今天，锂离子电池成为了便携电子器件的主要 电源。锂电池对环境的影响很小，不论生产、使用和报废，都不含有、 也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。