鋰離子電池與電池材料課件

1、 新型能源材料之 鋰離子電池與電池材料第1頁，共16頁。一次電池二次電池 燃料電池儲備電池鎳/鎘電池鎳/氫電池鋰離子電池鉛酸電池化學(xué)電池化學(xué)電池按化學(xué)電源的工作性質(zhì)及儲存方式不同，化學(xué)電池有以下類別：第2頁，共16頁。a、一次電池：反應(yīng)不可逆，正負電極上的活性物質(zhì)只能使用一次。 如：鋅/猛電池、鋅/汞電池b、儲備電池：電池正負活性物質(zhì)和電解質(zhì)在儲備期間不直接接觸， 在使用時借助動力源作用于電解質(zhì)，使電池激活工作 如：鎂/銀電池、鋅/銀電池c、燃料電池: 正負極本身不包含活性物質(zhì)，但活性物質(zhì)被連續(xù)注入電 池，電池不斷進行發(fā)電。 如：堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池五類d、蓄電池： 電能以化學(xué)能形

2、式儲存起來，實現(xiàn)電池兩極的可逆放電 反應(yīng)，可循環(huán)使用。 如：鉛酸電池、鎳/氫電池、鋰離子電池第3頁，共16頁。鋰一次電池(又稱鋰原電池, Primary LB)鋰電池(Lithium Battery, 簡寫成LB)鋰二次電池(又稱鋰可充電電池，Rechargeable LB)第4頁，共16頁。鋰離子電池與鋰電池的區(qū)別 早期的鋰電池鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹之前，先介紹鋰電池。舉例來講，以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。這種電池也可以充電,但循環(huán)性能不好，在充

3、放電循環(huán)過程中,容易形成鋰結(jié)晶，造成電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。 第5頁，共16頁。鋰離子電池：炭材料鋰電池后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。 目前所說的鋰離子電池

4、通常為鋰二次電池。第6頁，共16頁。鋰離子電池的商品化 1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨這種鋰離子電池，該電池成功的利用能可逆脫嵌鋰的碳材料替代金屬鋰作為負極，克服了鋰二次電池循環(huán)壽命低、安全性差的缺點，從而鋰離子電池得以商品化。鋰離子電池具有電壓高、比能量高、無記憶效應(yīng)、無污染等特點。從問世以來已廣泛用于電子設(shè)備中第7頁，共16頁。鋰離子電池工作原理 第8頁，共16頁。鋰離子電池工作原理圖第9頁，共16頁。鋰離子電池正極材料正極材料在性能上應(yīng)滿足：a、在要求的充放電電位范圍內(nèi)，與電解質(zhì)溶液具有相容性b、溫和的電極過程動力學(xué)c、高度可逆性其結(jié)構(gòu)具有以下作用：a、保證電極具有

5、良好的可逆性能b、保證電池的充放電電壓平穩(wěn)c、使電池具有良好的快速充放電性能第10頁，共16頁。常見鋰離子電池的正極材料 a、氧化鈷鋰層狀氧化鈷鋰尖晶石型氧化鈷鋰b、鋰鎳氧化物c、尖晶石型 Li2MnO4 d、其他鋰離子正極材料鋰釩氧化物導(dǎo)電聚合物第11頁，共16頁。提高氧化鈷鋰的容量，改善循環(huán)性能的方法有：1、加入鋁、鐵、錳等元素，穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)，改善穩(wěn)定性，延長循環(huán)壽命2、引入雜原子以及一些非晶物，使氧化鋰鈷的晶界結(jié)構(gòu)部分變化，提高電極結(jié)構(gòu)變化的可逆性3、在電極材料中加入鈣離子或氫離子，改善電極導(dǎo)電，提高點擊活性物質(zhì)的利用率和快速充放電能力4，引入過量的鋰，增加電極可逆容量第12頁，共16頁

6、。鋰鎳氧化物理論容量為274mA.h/g,實際容量已達190210mA.h/g。其自放電率低，無環(huán)境污染，對電解液的要求較低與氧化鈷鋰相比，氧化鋰鎳具有下列優(yōu)勢：a、鎳比鈷便宜b、可采儲量鎳約為鈷的145倍c、氧化鈷鋰與氧化鋰鎳晶型相同，容易取代第13頁，共16頁。尖晶石型 Li2MnO41、Li2MnO4的理論容量為148mA.h/g，而在實際中LixMn2O4的x值在0.151之間變化，因而實際可逆容量一般在120mA.h/g左右。2、在鋰離子電池的應(yīng)用中， Li2MnO4正極材料存在的主要問題是高溫工作時電極的循環(huán)性能和存放性能較差3、制備Li2MnO4的方法有高溫固相反應(yīng)法、化學(xué)共沉淀法、溶膠凝膠法、熔鹽浸漬法、模板法等第14頁，共16頁。鋰離子電池負極材料a、以前采用金屬鋰作為負極b、目前采用炭材料