鋰離子電池制造材料

鋰離子電池制造材料匯報(bào)人：2024-01-29目錄CONTENTS鋰離子電池概述正極材料負(fù)極材料電解液與隔膜電池制造工藝與設(shè)備材料性能評(píng)價(jià)與測(cè)試方法未來發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)01鋰離子電池概述正極材料負(fù)極材料電解質(zhì)鋰離子電池工作原理在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到負(fù)極材料中；放電時(shí)則相反。負(fù)極材料一般為碳材料，能夠與鋰離子形成插層化合物，實(shí)現(xiàn)鋰離子的嵌入和脫出。電解質(zhì)在正負(fù)極之間起到傳遞鋰離子的作用，一般要求具有良好的離子導(dǎo)電性和電子絕緣性。

鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域消費(fèi)電子鋰離子電池廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中。電動(dòng)汽車隨著新能源汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池已成為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿碓?。?chǔ)能領(lǐng)域鋰離子電池還可用于電網(wǎng)儲(chǔ)能、家庭儲(chǔ)能等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用。發(fā)展歷史鋰離子電池的研究始于20世紀(jì)70年代，90年代開始商業(yè)化應(yīng)用，并逐漸取代了傳統(tǒng)的鎳鎘電池和鎳氫電池?，F(xiàn)狀目前，鋰離子電池技術(shù)仍在不斷發(fā)展和完善中，主要研究方向包括提高能量密度、降低成本、提高安全性等。同時(shí)，新型電池技術(shù)如固態(tài)電池、鋰硫電池等也在不斷發(fā)展中，有望在未來取代傳統(tǒng)的鋰離子電池。鋰離子電池發(fā)展歷史與現(xiàn)狀02正極材料01020304高能量密度良好的循環(huán)性能高成本安全性問題鈷酸鋰鈷酸鋰具有較高的比容量和工作電壓，使得鋰離子電池具有較高的能量密度。鈷酸鋰在充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有良好的循環(huán)性能和較長的使用壽命。鈷酸鋰在高溫甚至600度下仍能保持穩(wěn)定，從而提高電池的熱穩(wěn)定性，但也可能導(dǎo)致電池在過熱時(shí)產(chǎn)生安全隱患。鈷資源稀缺，價(jià)格昂貴，導(dǎo)致鈷酸鋰電池成本較高。資源豐富高安全性循環(huán)性能一般能量密度較低錳酸鋰錳酸鋰具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐過充性能，提高了電池的安全性。錳元素在地球上儲(chǔ)量豐富，價(jià)格相對(duì)較低，使得錳酸鋰電池成本較低。與鈷酸鋰相比，錳酸鋰的比容量和工作電壓較低，使得鋰離子電池的能量密度相對(duì)較低。錳酸鋰在充放電過程中容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致循環(huán)性能相對(duì)較差。1234高能量密度成本適中良好的循環(huán)性能安全性問題三元材料三元材料具有較高的比容量和工作電壓，使得鋰離子電池具有較高的能量密度。三元材料在充放電過程中結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，具有良好的循環(huán)性能和較長的使用壽命。三元材料中的鎳、鈷、錳等元素價(jià)格相對(duì)合理，使得三元鋰電池成本適中。三元材料在高溫下容易發(fā)生熱失控，導(dǎo)致電池安全性降低。01020304高安全性長循環(huán)壽命能量密度較低成本適中磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和耐高溫性能，使得鋰離子電池在高溫甚至600度下仍能保持穩(wěn)定，從而提高電池的安全性。磷酸鐵鋰在充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有良好的循環(huán)性能和較長的使用壽命。與鈷酸鋰和三元材料相比，磷酸鐵鋰的比容量和工作電壓較低，使得鋰離子電池的能量密度相對(duì)較低。磷酸鐵鋰原料來源廣泛，價(jià)格相對(duì)較低，使得磷酸鐵鋰電池成本適中。03負(fù)極材料具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性好，結(jié)晶度高，嵌鋰容量高。天然石墨人造石墨石墨烯通過高溫處理石油焦、針狀焦等原料制得，結(jié)構(gòu)可控，循環(huán)性能好。由單層碳原子組成的二維晶體，具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度和優(yōu)異的柔韌性。030201石墨類負(fù)極材料具有三維鋰離子擴(kuò)散通道，倍率性能好，安全性高。尖晶石型鈦酸鋰晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)壽命長，但電子導(dǎo)電性較差。金紅石型鈦酸鋰鈦酸鋰負(fù)極材料理論比容量高，但體積膨脹嚴(yán)重，循環(huán)性能差。硅單質(zhì)通過合金化改善硅的體積效應(yīng)，提高循環(huán)穩(wěn)定性。硅合金具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，但首次庫倫效率低。硅氧化物硅基負(fù)極材料03多元復(fù)合負(fù)極材料通過設(shè)計(jì)多元復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)負(fù)極材料的多功能化和高性能化。01碳/硅復(fù)合材料結(jié)合碳材料的穩(wěn)定性和硅的高比容量，提高循環(huán)性能和倍率性能。02碳/金屬氧化物復(fù)合材料利用金屬氧化物的電化學(xué)活性和碳材料的導(dǎo)電性，提高負(fù)極材料的綜合性能。復(fù)合負(fù)極材料04電解液與隔膜常用有機(jī)溶劑如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）等，提供離子傳輸?shù)拿浇?。溶劑如六氟磷酸鋰（LiPF6）等，作為鋰離子的來源，在充放電過程中實(shí)現(xiàn)鋰離子的嵌入和脫出。鋰鹽用于改善電解液的某些性能，如提高導(dǎo)電性、降低粘度、增強(qiáng)穩(wěn)定性等。添加劑電解液組成及作用聚乙烯（PE）隔膜聚丙烯（PP）隔膜復(fù)合隔膜性能要求隔膜類型及性能要求具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，但熱穩(wěn)定性較差。由PE和PP等多層材料復(fù)合而成，兼具多種性能優(yōu)勢(shì)。具有較高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，但化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)較差。隔膜應(yīng)具有優(yōu)異的離子透過性、電子絕緣性、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。電解液影響隔膜影響電解液與隔膜對(duì)電池性能影響隔膜的性能對(duì)電池的內(nèi)阻、循環(huán)壽命和安全性能具有重要影響。優(yōu)質(zhì)的隔膜應(yīng)具有低內(nèi)阻、高離子透過性、良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，以確保電池在高溫甚至極端條件下的安全性能。電解液的組成和性質(zhì)直接影響電池的電壓、容量、循環(huán)壽命和安全性能。例如，電解液的電導(dǎo)率影響電池的倍率性能，而電解液的穩(wěn)定性則關(guān)乎電池的安全性能。05電池制造工藝與設(shè)備電極制備工藝及設(shè)備介紹將活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等按一定比例混合均勻，形成電極漿料。將電極漿料均勻涂布在金屬箔材上，形成電極片。通過加熱或真空干燥等方式，去除電極片中的水分和有機(jī)溶劑。對(duì)干燥后的電極片進(jìn)行壓實(shí)，提高其密度和機(jī)械強(qiáng)度?；炝瞎に囃坎脊に嚫稍锕に噳浩に囯姌O片裁切隔膜裁切疊片工藝電池殼封裝電池組裝工藝及設(shè)備介紹01020304將電極片裁切成規(guī)定尺寸，以便后續(xù)的組裝。將隔膜裁切成與電極片相匹配的尺寸。將正負(fù)極電極片和隔膜按順序疊放在一起，形成電池芯。將電池芯放入電池殼中，并進(jìn)行密封封裝?；晒に嚪秩莨に嚮稍O(shè)備分容設(shè)備電池化成與分容工藝及設(shè)備介紹對(duì)組裝好的電池進(jìn)行首次充電，激活電池中的活性物質(zhì)，使其具備電化學(xué)性能。對(duì)化成后的電池進(jìn)行容量測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)電池進(jìn)行分選和分類。包括充放電設(shè)備、溫度控制設(shè)備等，用于實(shí)現(xiàn)電池的化成過程。包括容量測(cè)試設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄設(shè)備等，用于實(shí)現(xiàn)電池的分容過程。06材料性能評(píng)價(jià)與測(cè)試方法密度測(cè)試通過測(cè)量材料的質(zhì)量和體積，計(jì)算其密度，以評(píng)估材料的緊實(shí)程度和一致性。粒度分析使用粒度分析儀對(duì)材料進(jìn)行粒度分布測(cè)試，以了解材料的顆粒大小和分布情況。比表面積測(cè)試通過比表面積測(cè)試儀測(cè)量材料的比表面積，以評(píng)估材料與電解液的接觸面積和反應(yīng)活性。材料物理性能測(cè)試方法交流阻抗譜（EIS）在特定頻率范圍內(nèi)施加交流信號(hào)，測(cè)量材料的阻抗響應(yīng)，以了解材料的導(dǎo)電性能和界面反應(yīng)。充放電性能測(cè)試對(duì)電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，記錄其充放電曲線、容量、庫侖效率等參數(shù)，以評(píng)估材料的電化學(xué)性能。循環(huán)伏安法（CV）通過在不同電位下測(cè)量電流的變化，研究材料的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和動(dòng)力學(xué)過程。材料電化學(xué)性能測(cè)試方法熱穩(wěn)定性測(cè)試通過熱分析儀等設(shè)備對(duì)材料進(jìn)行熱穩(wěn)定性測(cè)試，了解其熱分解溫度、熱穩(wěn)定性等參數(shù)，以評(píng)估材料的安全性。穿刺實(shí)驗(yàn)?zāi)M電池內(nèi)部短路情況，對(duì)材料進(jìn)行穿刺實(shí)驗(yàn)，觀察其熱行為和安全性能。過充過放實(shí)驗(yàn)對(duì)電池進(jìn)行過充和過放實(shí)驗(yàn)，觀察其電壓、溫度等參數(shù)的變化，以評(píng)估材料在極端條件下的安全性能。材料安全性能測(cè)試方法07未來發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn)通過提高鎳含量，降低鈷、錳含量，實(shí)現(xiàn)高能量密度，同時(shí)降低成本。高鎳三元材料硅具有極高的理論比容量，是下一代高能量密度鋰離子電池負(fù)極材料的首選。硅基負(fù)極材料固態(tài)電解質(zhì)具有高安全性、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，是未來鋰離子電池發(fā)展的重要方向。固態(tài)電解質(zhì)高能量密度鋰離子電池材料發(fā)展趨勢(shì)鈦酸鋰具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，是長壽命鋰離子電池的理想負(fù)極材料。鈦酸鋰負(fù)極材料通過改進(jìn)正極材料的晶體結(jié)構(gòu)、表面包覆等技術(shù)手段，提高正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。長壽命正極材料研發(fā)新型電解液添加劑，改善電極/電解液界面性能，提高電池循環(huán)