聚合物在锂离子电池中的应用

交联型 全固态聚合物 非交联型
聚氧化乙烯类(PEO)
PEO在20世纪80年代开始作为电解质基体应用于电池中,其主要特点是:
玻璃转化温度低和无定形相含量高. PEO的离子导电机理:离子通过PEO的局部松弛和链段的运动实现快速 迁移,该迁移主要发生在无定形相中. 通常的改性方法:共聚,交联,掺杂盐,加增塑剂和无机填料.
几种最新的聚合物电解质
Ref.石 桥等 锂离子电池用聚合物电解质的最新进展I. 干态聚合物电解质[J],电子元 件与材料,2003,11.22(11):53~57.
聚合物电解质研究趋势
(来自陈光主编〈新材料概论〉)
聚合物电解质存在着电导性与力学性能的矛盾,以及 常温电导率不高,稳定性不好的问题.可以预测,今 后几年聚合物电解质技术的研究将主要集中在:
谢谢!
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解决电导性与力学性能的矛盾; 从分子水平上阐述聚合物电解质的结构与导电机制的关系; 聚合物超离子导体; 聚合物单离子导体.
第三部分: 第三部分:锂离子电池的应用
⑴ 在电子产品方面的应用:
① 手机:
手机用锂离子电池的技术指标
电池 型号 14500 容量 /mAh 直径 /mm 高度 /mm 宽度 /mm 长度 /mm 580 14 50 圆柱形 17500 750 17 50 18650 1350 18 50 6 22 48 8 22 48 6 30 48 9 30 48 8 34 48 22mm 宽 470 22mm 宽 600 方 形 30mm 宽 850 34mm 宽 900
性 能 4145x1695x1565 4 1700 >200 120 12
⑶ 在军事上的应用:
美国军用锂离子电池的技术指标为:工作电压为4.0V,比能量为 90wh/kg,功率密度为40w/kg,工作温度为:-20~55℃. (The design of electrolytes,i.e.ionic conductors and electronic
⑷ 其他应用
① 医学 主要应用于助听器,心脏起搏器等; ② 手表 更环保; ③ 地下采油 因为地下采油的温度高, 采用聚合物锂离子电池可以满足其要求 并且聚合物锂离子电池的电导率高能有效地提供电力.
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一,概述
定义:锂离子电池是指 以锂离子嵌入化合物 为正极材料电池的总 称.锂离子电池的充 放电过程,就是锂离 子的嵌入和脱嵌过程.
特点: ⑴优点
① 体积和质量比能量高.(体积比能量就是单位体积的能量,质量比能
量类似) ②平均输出电压高,一般为3.6V,是Cd-Ni,MH-Ni电池的三倍; ③可大电流放电,输出功率大; ④自放电率小,每月放电不超过10%,不到Cd-Ni,MH-Ni电池的一半; ⑤放电时间长,循环性能好,使用寿命长,可达1200次; ⑥充电效率高,可达100%,而且可快速充电; ⑦没有环境污染,称为"绿色电池"
聚丙烯腈(PAN)
PAN基电解质的研究始于1975年. 其优点是: 1. 合成简单 2. 性能稳定 3. 热稳定性高 4. 不易燃烧 缺点:离子电导率较低;但可以通过以下手段对其凝胶电解质进行改进: 选择合适的非水溶剂,如:用EC/DMC或EC/DEC混合溶剂代替PC/EC,可以避免PC 的分解进而提高电导率; 改善基体,通过共聚等方法可以减少聚丙烯腈的结晶性; 加入添加剂,如:加入三氧化二铝增塑后其室温电导率达0.23ms/cm; 减少凝胶中的杂质 提高电解质的均匀性
insulators, using crystalline solids, polymers, or composites consisting of polymer-liquid or ceramic-liquid combinations.Ref.NSF)
主要应用:军事通讯,鱼雷,潜艇,导弹等尖端武器上;
聚合物在锂离子电池中的应用
概要:
第一部分:选题的背景 第一部分: 第二部分:锂离子电池及其应用的聚合 第二部分:
物 第三部分:锂离子电池的应用 第三部分:
第一部分: 第一部分:选题的背景
本题涉及的是新能源材料的问题: 新能源材料的特点: 新能源材料的特点: ⑴ 新材料把原来使用的能源变成新能源. ⑵ 一些新材料可以提高储能和能量转化效果 新能源材料开发面临的问题: 新能源材料开发面临的问题 ⑴ 资源的合理利用. ⑵ 安全与环境保护. ⑶ 材料规模化生产的制作与加工. ⑷ 延长材料的使用寿命.
无定形 碳材料
其它碳 负极材料: 富乐烯 碳纳米管
氮化物
硅及 硅化物
锡基氧 化物及 锡化物
钛的 氧化物
对碳基负极材料的改性:1.引入非金属元素;2.引入金属元 素;3.进行表面处理;4.采用机械化学法(粉碎等).
五,聚合物电解质材料(来自《高能化学电源》)
电解质种类 结构特点 电解质体系 性能特点 交联型 凝胶聚合物 非交联型 ① 聚合物:聚醚类(PEO)聚丙烯腈(PAN) 化学交联: 性能稳定,不受温 聚甲基丙烯酸酯(PMMA)聚偏氟乙烯 度和时间的影响 (PVDF)等 物理交联: ② 液体增塑剂(低分子量聚乙二醇) 温度升高或长时间 ① 聚合物:聚醚类(PEO)聚丙烯腈(PAN) 放置发生容胀, 聚甲基丙烯酸酯(PMMA)聚偏氟乙烯 溶解,增塑剂析 (PVDF)等 出 ② 液体增塑剂(低分子量聚乙二醇) ①聚合物:聚醚类(PEO)聚丙烯腈(PAN) 聚甲基丙烯酸酯(PMMA)聚偏氟乙烯( PVDF)等 ① 填料:有机低分子化合物,无机物,有 机-无机混合物 ①聚合物:聚醚类(PEO)聚丙烯腈(PAN) 聚甲基丙烯酸酯(PMMA)聚偏氟乙烯(PVDF )等 ② 填料:有机低分子化合物,无机物,有 机-无机混合物
LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe
负极:
6C + xLi+ + xe → LixC6
电池反应:
6C + LiCoO2 → Li1-xCoO2 + LixC6
在充电过程中,锂离子从正极脱嵌,而嵌入负极,即锂离子从高
浓度正极向低浓度负极的迁移过程;放电过程类似.
三,正极材料
具有以下优点: ⅰ.低污染排放; ⅱ.低噪声,无废热; ⅲ.提高能源利用率; ⅳ.减缓能源危机; ⅴ.不会产生内燃机油污,耗油率为"零"; ⅵ.寿命长(大于10年),维护费用低,直接传动而驾 驶平稳且无歇停振动现象等;
我国"863"计划电动汽车重大专项计划书中要求锂离子电池作为电动 汽车动力必须达到的性能(来自《高能化学电源》)
30mm 宽 580
②笔记本电脑:
笔记本电脑的电压为10V以上,容量大,一般采用3~4个 单电池串联就可以满足电压要求,然后再将2~3个串联 的电池组并联,以保证较大的容量.
பைடு நூலகம்
⑵ 交通工具方面的应用:
① 电动自行车:采用铅酸蓄电池,电池本身重就达十 几公斤而采用锂离子电池则只有3kg重;
② 电动汽车:
二次电池简介: 二次电池简介:
⑴ 什么是二次电池? ⑵ 为什么二次电池能够迅猛发展? ⑶目前对二次电池研究的新重点: ⅰ.储氢材料及金属氢化物镍电池; ⅱ.锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池; ⅲ.聚合物电解质锂离子电池;
第二部分: 第二部分: 锂离子电池及其应用的聚合物
一,概述 二,工作原理 三,正极材料 四,负极材料 五,电解质材料
主要有: 氧化钴锂正极材料,氧化镍锂正极材料,
氧化锰锂正极材料,钒氧化物正极材料 等 通过掺杂其它元素,改进制备工艺等材 料改性手段可以有效的提高脱嵌相的稳 定性,提高可逆容量和抑制容量衰减.
四,负极材料
负极材料分为:
碳基负极材料和非碳基负极材料两大类;
碳基负 极材料 非碳负 极材料
石墨化碳 负极材料
⑵缺点
①成本高,主要是正极活性材料价格高; ②必须有特殊保护电路,以防过充电; ③与普通电池的相容性差,一般要在3节普通电池的情况下才能用锂离子
电池代替.
与其优点比起来,锂离子电池的缺点不应成为问题,特别是它应用在高 附加值和高科技产品中.
二,工作原理
以石墨负极和LiCoO2正极为例:
充电反应为: 正极 :
质量比能量/(Wh/kg) 功率密度/(W/kg) 循环次数/次 行驶里程/万公里 电池工作温度/℃ >130 >1600 >500 >10 -20~55
索尼公司以锂离子电池为动力的电动汽车部分试车结果
(来自《锂离子电池》)
参 数 长x宽x高/mm 乘客数/人 质量/kg 每次充电行驶里程/km 最大速率/(km/h) 从0加速到80km/h所需时间/s
聚甲基丙烯酸酯(PMMA)
PMMA为非晶态高分子化合物,透明性好,1985年开始用于锂离子 电池.PMMA系凝胶电解质的特点是与金属锂电极的界面电阻低; 通过共聚可以得到离子电导率,机械强度和化学稳定性都较高的 聚合物电解质;
聚偏氟乙烯(PVDF)
PVDF均聚物为离子电导率高的电解质,具有优良的耐溶剂性能,热 稳定性能和耐候性能等. 锂离子电池用的聚偏氟乙烯化合物有聚偏氟乙烯均聚物和氟化乙烯 与六氟丙烯共聚物等