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1、锂离子电池介绍 材化一班 白煜尧 工作原理主要结构电池种类主要优点应用前景未来研究方向目目 录录 工作原理工作原理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。以碳素材料为负极，含锂的化合物为正极。锂离子电池的充电放充电放电电过程，就是锂离子的嵌入嵌入和脱嵌脱嵌过程。正极:LiCoO2 Li1-xCoO2+xLiLi+xe-负极:6C+xLiLi+xe-LixC6总:6C+LiCoO2 Li1-xCoO2+LixC6以以LiCoO2为正极材料的锂为正极材料的锂离子离子电池电池充电锂离子电池一般用钴酸锂做正极，碳做负极，中间填充电解液以形成离子游离的通道，用隔膜来分离正负极防止短路。当充
2、电时由于电场作用锂离子从钴酸锂中游出，游离在电液中穿过隔膜中的孔隙，到达负极与碳反应生成碳化锂；放电过程与此相反，锂离子又回到正极，这就是锂离子电池的充放电过程。区分：锂区分：锂金属金属电池：电池：锂金属电池一般是使用二氧化锰二氧化锰为正正极材料、金属锂或其金属锂或其合金金属合金金属为负负极材料、使用非水电解质非水电解质溶液的电池。放电反应：Li+MnO2=LiMnO2 一般不可充电，用非水电解质溶液，金属锂电池跟普通干电池的原理一样，它是用金属锂作为电极，通过金属锂的腐蚀或叫氧化来产生电能的，用完就废了，不能充电。主要结构主要结构正极材料：锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2、LiFePO
3、4或LiXMnO2 负极材料：锂-碳层间化合物LiXC6电解质溶液：溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等有机溶液SEI膜：只允许锂离子通过，其它溶剂分子不能通过正极材料的要求正极材料的要求1.具有较高的氧化还原电位，使 电池输出电压高2.可利用活性物质高，容量高3.充放电过程中，结构稳定4.氧化还原电位变化小5.化学稳定性好，与电解质反应小6.较高的电子和离子导电率，大电流充放电性能好7.价格便宜，对环境无污染类别安全 性能比容量mAh/g循环寿命/次电压 平台材料成本所占成本比重适合领域钴酸锂差 1455003.6高40%中小型移动电池锰酸锂较好105 5003.7低25%对体积不敏感的中型
4、动力电池三元素较好160 8003.6较高33%中小型动力电池磷酸铁锂很好 150 15003.2低廉25%对体积不敏感的大型动力电源几种正极材料应用优劣势比较几种正极材料应用优劣势比较目前，磷酸铁锂材料最适合制作大型动力电池，已成为世界各国竞相研究和开发的重要方向。负极材料负极材料大多数锂离子电池均采用碳材料作为负极。除碳负极材料外，还有锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、是合金类负极材料、纳米级负极材料等。负极材料的要求负极材料的要求1.较低的氧化还原电位，使电池输出电压高2.嵌锂量大，容量高3.充放电过程中，结构稳定4.充放电过程中，氧化还原电位变化小5.稳定性好，与电解质反应小6
5、.良好的表面结构，形成良好的SEI膜7.较高的电子和离子导电率，大电流充放电性能好8.价格便宜，对环境无污染常见负极材料1.金属锂负极2.碳负极3.电解液负极金属锂负极金属锂负极由于锂在溶解沉积的过程中生成枝晶，导致电极的表面积不断增大，新增加的表面由于生成SEI膜导致与集体的接触不良，因此锂的溶解沉积效率较低。充电前充电后碳负极材料碳负极材料碳材料是目前最为理想的锂离子电池负极材料，嵌锂碳材料可用LixC6表示，当X=1时达到最高的理论嵌锂量，理论比容量为372 mAh/g。石墨和中间相碳微球（MCMB）是实际应用最广泛的两类碳材料。石墨碳微球电解液电解液 有机溶剂：乙烯碳酸酯（EC）丙烯碳
6、酸酯（PC）碳酸二甲酯（DMC）碳酸二乙酯（DEC）电解质（锂盐）：LiPF6 常用 LiClO4 不安全 LiAsF6 有毒 LiBF4 电导率低 SEISEI膜膜在液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是Li+的优良导体,Li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”(solidelectrolyteinterface)，简称SEI膜。锂离子电池主要优点锂离子电池主要优点1）电压高 单体电池的工作电压高达3.73.8V2）比能量
7、大 目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右 3）循环寿命长 一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就11.5年时间，性能价格比将为铅酸电池的5倍以上。4）安全性能好 无公害，绿色环保5）自放电小 室温下充满电的Li-ion储存 1个月的自放电率为2%左右，6）可快速充放电 7）工作温度范围高 工作温度为-2545C 8）无记忆效应 可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。而锂离子电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。锂离子电池缺点锂离子电池缺点锂电池均存在安
8、全性差安全性差，有发生爆炸的危险。钴酸锂材料的锂电池不能大电流放电，安全性较差。锂电池均需保护线路均需保护线路，防止电池被过充过放电。生产要求条件高，成本高。新发展新发展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和聚合物锂离子电池两大类。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子是相同的，工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同,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固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池（1）固体聚合物电解质锂离子电池（2）凝
9、胶聚合物电解质锂离子电池（3）聚合物正极材料的锂离子电池 由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂离子电池相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50以上。动力锂离子电池动力锂离子电池严格来说，动力锂离子电池是指容量在3Ah以上的锂离子电池，目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于电动工具、自行车
10、、滑板车、矿灯、医疗器械等；高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。根据内部材料的不同，动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物锂离子动力电池两种，统称为动力锂离子电池。高性能锂离子电池高性能锂离子电池为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料很有必要。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。为此，一种新的合成方法应运而生。用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，生成一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料，这种方法在纳米尺度材料上一举创建了储电单元和导电电路。未来的研究方向未来的研究方向A.固体聚合物电解质 聚氧化乙烯（PEO）B.纳米电极材料C.新型电池聚合物锂离子电池动力锂离子电池 包括液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池 高性能锂电池THANKS!