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  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 繁荣的锂 离子电池 1989 年 安全活性材料 炭负极 1993 年 石墨负极 锂离子 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: – 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、ag试玩网站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 ? 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 – 线mAh/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 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 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 – 线um – 容量~340mAh/g 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 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 ? 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 ? 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、HF20ppm 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 ? 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 ? 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? 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? 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 L i+ L i+ L i+ L i+ LixC6 负极 Charge L i+ e L i+ Discharge L i+ L i+ L i+ L i+ Electrolyte Li1-xCoO2 正极 e e 集流体 ? 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: L iC o O 2 充 放 电 电 / / 嵌 脱 入 嵌 L i1 -x C o O 2 + x L i+ + x e _ 负极: