锂离子电池基础知识 (2)课件.ppt

关于锂离子电池基础知识(2)第1页，此课件共120页哦第2页，此课件共120页哦第3页，此课件共120页哦摘要1 锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况2 锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性3 锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的应用与发展前景4 锂离子电池材料锂离子电池材料第4页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂锂是金属中最轻的元素，且标准电极电位为是金属中最轻的元素，且标准电极电位为-3.045V，是金属，是金属元素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在元素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在TiS2和和MoS2等嵌入等嵌入化合物中嵌入或脱嵌。化合物中嵌入或脱嵌。锂离子电池锂离子电池：分别用二个能：分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池摇椅式电池”，俗称，俗称“锂锂电电”。第5页，此课件共120页哦电子技术的发展，对高比能量的移动电源需求量加剧。锂离电子技术的发展，对高比能量的移动电源需求量加剧。锂离子电池是一种理想的可移动电源，具有体积小，重量轻，放电电压子电池是一种理想的可移动电源，具有体积小，重量轻，放电电压高，比能量大等优点。自从高，比能量大等优点。自从1990年年SONY公司推出世界上第一公司推出世界上第一只锂离子电池，到只锂离子电池，到2001年为止，整个市场每年约年为止，整个市场每年约4亿只该类电亿只该类电池用于纯消费类电子产品。便携式摄像机、移动电话、手提池用于纯消费类电子产品。便携式摄像机、移动电话、手提电脑等电脑等95以上使用锂离子二次电池作为主要电源。以上使用锂离子二次电池作为主要电源。1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况第6页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的历史锂离子电池的历史第7页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的优点锂离子电池的优点1、高能量密度高能量密度：100Wh/Kg以上，为镍镉电池的三倍，镍氢电池的两倍；以上，为镍镉电池的三倍，镍氢电池的两倍；2、电压平台高电压平台高：3.6V，镍基电池为，镍基电池为1.2V；3、低温下工作优低温下工作优：在：在-2060的温度范围内工作，低温下的工作优于其它电池的温度范围内工作，低温下的工作优于其它电池；4、低维护性低维护性：没有记忆效应，无需定期放电，最理想的保存方式，就是在：没有记忆效应，无需定期放电，最理想的保存方式，就是在40%充电后冷藏充电后冷藏保存，可以保存达十年之久保存，可以保存达十年之久；5、低自放电率低自放电率：约：约6/月；月；6、长循环寿命长循环寿命(1000次，次，100DOD)；7、环保环保：无重金属，无污染。：无重金属，无污染。第8页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的优点锂离子电池的优点镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比 第9页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的缺点锂离子电池的缺点1、安全性能问题安全性能问题：需复杂的保护线路；：需复杂的保护线路；2、放电倍率低放电倍率低：1C2C；3、易于老化易于老化：存储的锂离子电池照样会容量衰竭；：存储的锂离子电池照样会容量衰竭；4、价格昂贵价格昂贵。第10页，此课件共120页哦一般认为，锂离子电池起火爆炸是由于其一般认为，锂离子电池起火爆炸是由于其内部化学原理内部化学原理和和成成分导致的。由于人们想在单位分导致的。由于人们想在单位密度中储存更多的能量，这就导致了锂离子电池中碳、氧和易燃液体的含量不断增加。密度中储存更多的能量，这就导致了锂离子电池中碳、氧和易燃液体的含量不断增加。与此同时除了正极、负极以及隔离膜之外，锂离子电池内部还充满了一种非常易燃的液与此同时除了正极、负极以及隔离膜之外，锂离子电池内部还充满了一种非常易燃的液体体锂盐类电解质。电池充电时，负极的锂离子向正极移动，电池在使用过程中，锂离子又回到负极以提锂盐类电解质。电池充电时，负极的锂离子向正极移动，电池在使用过程中，锂离子又回到负极以提供能量。在充完电的状态下，失去大部分离子的负极非常不稳定。这个温度足以使负极分解和释放氧。随供能量。在充完电的状态下，失去大部分离子的负极非常不稳定。这个温度足以使负极分解和释放氧。随着热量积蓄，电池将会进入着热量积蓄，电池将会进入“热失控热失控”状态。此时电池内部的温度将会极快地升高，最后到达电解液的燃状态。此时电池内部的温度将会极快地升高，最后到达电解液的燃点而起火爆炸。在最近导致众多大厂笔记本电脑过热和起火的点而起火爆炸。在最近导致众多大厂笔记本电脑过热和起火的SONY锂电池中，正是因为在电池制造锂电池中，正是因为在电池制造过程中混入了过多的金属颗粒，容易在电池使用过程中发生短路、产生火花。才导致了这些过程中混入了过多的金属颗粒，容易在电池使用过程中发生短路、产生火花。才导致了这些锂离子电池的不稳定。锂离子电池的不稳定。第11页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类按按形状形状分类：圆柱形、方形和扣式分类：圆柱形、方形和扣式(或钱币形或钱币形)；按按正极材料正极材料分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型、氧化锰锂型和分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型、氧化锰锂型和磷酸铁锂型等；磷酸铁锂型等；按按电解质材料电解质材料不同分类：液态锂离子电池、聚合物锂离子电不同分类：液态锂离子电池、聚合物锂离子电池池第12页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类相同点相同点：液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是：液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2，负极使用各种碳材，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。区别区别：主要区别在于：主要区别在于电解质电解质的不同的不同,锂离子电池使用的是锂离子电池使用的是液体电解质液体电解质,而聚合物锂离而聚合物锂离子电池则以子电池则以聚合物电解质（液态有机电解质吸附在聚合物基质上，这种电解质既不是聚合物电解质（液态有机电解质吸附在聚合物基质上，这种电解质既不是游离电解质也不是固体电解质）游离电解质也不是固体电解质）来代替来代替,这种聚合物可以是这种聚合物可以是“干态干态”的的,也可以是也可以是“胶态胶态”的的,目前大部分采用目前大部分采用聚合物胶体电解质聚合物胶体电解质。电解质电解质壳体壳体/包装包装隔膜隔膜集流体集流体液态锂离子电池液态锂离子电池液态液态不锈钢、铝不锈钢、铝25PE铜箔（负极）铜箔（负极）和铝箔（正极）和铝箔（正极）聚合物锂离子电聚合物锂离子电池池胶体聚合物胶体聚合物铝铝/PP复合膜复合膜没有隔膜或个没有隔膜或个PE铜箔（负极）铜箔（负极）和铝箔（正极）和铝箔（正极）第13页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的种类锂离子电池的种类聚聚合合物物锂锂离离子子电电池池比比能能量量高高，电电性性能能优优良良，不不漏漏液液，抗抗过过充充电电，结结构构简简单单，可可以以制制成成任任意意形形状状的的超超薄薄形形电电池池。聚聚合合物物锂锂离离子子电电池池还还可可以以采采用用高高分分子子作作正正极极材材料料，其其质质量量比比能能量量将将会会比比目目前前的的液液态态锂锂离离子子电电池池提提高高50以以上上。此此外外,聚聚合合物物锂锂离离子子电电池池在在工工作作电电压压、充充放放电电循循环环寿寿命命等等方方面面都都比比液液态态锂锂离离子子电电池池有有所所提提高高。基基于于以以上上优优点点，聚聚合合物物锂锂离离子子电池被誉为下一代锂离子电池。电池被誉为下一代锂离子电池。锂锂离离子子电电池池对对聚聚合合物物电电解解质质的的主主要要要要求求是是离离子子电电导导率率高高，电电化学性能和热性能稳定，机械性能柔韧，机械强度高。化学性能和热性能稳定，机械性能柔韧，机械强度高。第14页，此课件共120页哦1锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况锂离子电池的性能锂离子电池的性能（1）电电池池电电动动势势：在在等等温温等等压压条条件件下下，当当体体系系发发生生变变化化时时，体体系系吉吉布布斯斯自自由由能能的的减减少少等等于于对对外外所所做做的的最最大大膨膨胀胀功功，如如果果非非膨膨胀胀功功只只有有电电工工，则则G=-nFE。当当电电池池中中的的化化学学能能以以不不可可逆逆方方式式转转变为电能时，两极间的电位差变为电能时，两极间的电位差E一定小于可逆电动势一定小于可逆电动势E。（2）电电池池内内阻阻：电电池池内内阻阻有有欧欧姆姆电电阻阻和和电电极极在在电电化化学学反反应应是是所所表表现现出出的的极极化化电电阻阻。欧欧姆姆电电阻阻、极极化化电电阻阻之之和和为为电电池池的的内内阻阻。欧欧姆姆电电阻阻由由电电极极材材料料、电电解解液液、隔隔膜膜电电阻阻及及各各部部分分零零件件的的接接触触电电阻阻组组成成。极极化化电电阻阻是是指指电电化化学学反反应应时时由由极极化化引引起起的的电电阻阻，包包括括电电化化学学极极化化和和浓浓差差极极化引起的电阻。化引起的电阻。第15页，此课件共120页哦（3）开路电压和工作电压：开路电压是指外电路没有电流流过时电）开路电压和工作电压：开路电压是指外电路没有电流流过时电极之间的电位差，一般开路电压小于电池电动势。工作电压又称为极之间的电位差，一般开路电压小于电池电动势。工作电压又称为放电电压或负荷电压，是指有电流流过外电路时，电池两极间的电放电电压或负荷电压，是指有电流流过外电路时，电池两极间的电位差。工作电压总是低于开路电压，因为电流流过电池内部时，必位差。工作电压总是低于开路电压，因为电流流过电池内部时，必须克服极化电阻和欧姆电阻所造成的阻力。须克服极化电阻和欧姆电阻所造成的阻力。（4）电池容量和比容量：电池容量是指一定放电条件下可）电池容量和比容量：电池容量是指一定放电条件下可以从电池获得的电量，分理论容量、实际容量和额定容量。以从电池获得的电量，分理论容量、实际容量和额定容量。比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量，称为质比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量，称为质量比容量或体积比容量。量比容量或体积比容量。第16页，此课件共120页哦（5）电电池池的的能能量量和和比比能能量量：电电池池在在一一定定的的条条件件下下对对外外做做功功所所输输出出的的电电能能叫叫电电池池的的能能量量，单单位位用用Wh表表示示。单单位位体体积积或或单单位质量给出的能量称为电池的比体积能量或比质量能量。位质量给出的能量称为电池的比体积能量或比质量能量。（6）电电池池的的功功率率和和比比功功率率：电电池池的的功功率率是是指指在在一一定定的的放放电电制制度度下下，单单位位时时间间内内电电池池输输出出的的能能量量，单单位位为为W或或KW。比比功功率率是指单位质量或单位体积电池输出的功率。是指单位质量或单位体积电池输出的功率。（7）贮存性能和自放电：一次电池在开路时，在一定条件）贮存性能和自放电：一次电池在开路时，在一定条件下贮存时容量下降。下降的主要原因是由负极腐蚀和正极自下贮存时容量下降。下降的主要原因是由负极腐蚀和正极自放电引起的。负极腐蚀：由于负极多为活泼金属，其标准电放电引起的。负极腐蚀：由于负极多为活泼金属，其标准电极电位比氢电极负，特别是有正电性金属杂质时，杂质与负极电位比氢电极负，特别是有正电性金属杂质时，杂质与负电极形成腐蚀微电池。正电极自放电：正极上发生副反应时电极形成腐蚀微电池。正电极自放电：正极上发生副反应时消耗正极活性物质，使电池容量下降。消耗正极活性物质，使电池容量下降。第17页，此课件共120页哦（8）电池寿命：二次电池的寿命分充、放电寿命和湿搁置使用）电池寿命：二次电池的寿命分充、放电寿命和湿搁置使用寿命。蓄电池经历一次充放电为一个周期。在一定的放电制度下，寿命。蓄电池经历一次充放电为一个周期。在一定的放电制度下，电池容量降至规定值之前，电池所受的循环次数，称为使用周期。电池容量降至规定值之前，电池所受的循环次数，称为使用周期。（9）锂离子电池的性能：锂离子电池的性能包括电池充放电性能、）锂离子电池的性能：锂离子电池的性能包括电池充放电性能、温度性能、循环寿命、自放电特性、安全性等。温度性能、循环寿命、自放电特性、安全性等。第18页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第19页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第20页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性以以LiCoO2体系的锂离子二次电池为例说明其工体系的锂离子二次电池为例说明其工作原理。一般，锂离子二次电池是由作原理。一般，锂离子二次电池是由正极正极、电电解液解液、隔膜隔膜以及以及负极负极构成。充电时，正极中的锂构成。充电时，正极中的锂离子从离子从LiCoO2层状结构中脱出，层状结构中脱出，Co元素的化合价元素的化合价由由升高到升高到，正极材料发生氧化反应，同时，正极材料发生氧化反应，同时锂离子经过电解液迁移到电池的负极，在负极碳材料锂离子经过电解液迁移到电池的负极，在负极碳材料的层状结构内和碳化合生成的层状结构内和碳化合生成LiCX。电池在接上负。电池在接上负载时，则两电极上所发生的反应分别为充电载时，则两电极上所发生的反应分别为充电时发生反应的逆反应。隔膜位于正负反应电时发生反应的逆反应。隔膜位于正负反应电极之间，隔膜可以透过离子，但却不允许电极之间，隔膜可以透过离子，但却不允许电子透过，同时当电池正负极发生一定程度的子透过，同时当电池正负极发生一定程度的微短路时，隔膜还起到阻断保护作用。微短路时，隔膜还起到阻断保护作用。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第21页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性电电极极反反应应锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第22页，此课件共120页哦锂锂离离子子电电池池的的额额定定电电压压为为3.6V。电电池池充充满满时时的的电电压压（称称为为终终止止充充电电电电压压）一一般般为为4.2V；锂锂离离子子电电池池终终止止放放电电电电压压为为2.5V。如如果果锂锂离离子子电电池池在在使使用用过过程程中中电电压压已已降降到到2.5V后后还还继继续续使使用，则称为过放电，对电池有损害。用，则称为过放电，对电池有损害。2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂锂离离子子电电池池比比较较骄骄贵贵。如如果果不不满满足足其其充充电电及及使使用用要要求求，很很容容易易出出现现爆爆炸炸，寿寿命命下下降降等等现现象象。因因为为锂锂离离子子电电池池对对温温度度、过过压压、过过流流及及过过放放电电很很敏敏感感，所所以以所所有有的的电电池池内内部部均均集集成成了了热热敏敏电电阻阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放电保护电路。（监控充电温度）及防过压、过流、过放电保护电路。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第23页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理Iconst：恒流充电电流；：恒流充电电流；Ipre：预充电电流；：预充电电流；Ifull：充满判断电流；：充满判断电流；Vconst：恒压充电电压；：恒压充电电压；Vmin：预充结束电压及短路判断：预充结束电压及短路判断电压电压第24页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电过程分锂离子电池的充电过程分：预充电阶段预充电阶段；恒流充电阶段恒流充电阶段-恒压充电阶段恒压充电阶段。1C4.1V一一4.2V锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第25页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性预充电阶段预充电阶段预充电阶段是在电池电压预充电阶段是在电池电压低于低于3V时，电池不能承受时，电池不能承受大电流的充电。这时有必大电流的充电。这时有必要以小电流对电池进行浮要以小电流对电池进行浮充。充。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第26页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性恒流充电阶段恒流充电阶段当电池电压达到当电池电压达到3V时，时，电池可以承受大电流的充电池可以承受大电流的充电了。这时应以恒定的大电了。这时应以恒定的大电流充电。以使锂离子快电流充电。以使锂离子快速均匀转移，这个电流值速均匀转移，这个电流值越大，对电池的充满及寿越大，对电池的充满及寿命越有利。命越有利。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第27页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性恒压充电阶段恒压充电阶段当电池电压达到当电池电压达到4.2V时，达到了电池时，达到了电池承受电压的极限。这时应以承受电压的极限。这时应以4.2V的电的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于低。当充电电流小于30mA时，电池时，电池即充满了。这时要停止充电。否则，即充满了。这时要停止充电。否则，电池因过充而降低寿命。恒压充电电池因过充而降低寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为阶段要求电压控制精度为1%。依国。依国家标准，锂离子电池要能在家标准，锂离子电池要能在1C的充的充电电流下，可以循环充放电电电流下，可以循环充放电500次以次以上。依一般的电池使用三天一充。这样上。依一般的电池使用三天一充。这样电池的寿命应在电池的寿命应在4年。年。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第28页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性恒压式充电原理图恒压式充电原理图 当没电的电池插在这种充电器上时，当没电的电池插在这种充电器上时，充电器即以最大的电流为电池充电。如充电器即以最大的电流为电池充电。如果在锂离子电池最虚弱的低压时（低于果在锂离子电池最虚弱的低压时（低于2.5V）就以大电流冲击，将会严重损害）就以大电流冲击，将会严重损害电池的寿命。电池的寿命。另外，这类的充电器均为直接市电另外，这类的充电器均为直接市电220V接入，转换为接入，转换为5V的低压直流。因为的低压直流。因为转换效率低下，会产生大量的热。热量转换效率低下，会产生大量的热。热量直接叠加在了电池上，使电池温度过高，直接叠加在了电池上，使电池温度过高，这对电池有很大损害。这对电池有很大损害。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第29页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的充电方法锂离子电池的充电方法标准充电标准充电：在环境温度：在环境温度205的条件下，以的条件下，以0.5C5A恒流充电，恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压当电池端电压达到充电限制电压4.20V时，改为恒压充电，直到充时，改为恒压充电，直到充电电流小于电电流小于10mA，停止充电。，停止充电。快速充电快速充电：在环境温度：在环境温度205的条件下，以的条件下，以1C5A恒流充电，恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压当电池端电压达到充电限制电压4.2V时，改为恒压充电，直到时，改为恒压充电，直到充电电流小于充电电流小于10mA，停止充电。，停止充电。第30页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的放电特性锂离子电池的放电特性放电方法：放电有恒流放电和恒阻放电，此外还有连放电方法：放电有恒流放电和恒阻放电，此外还有连续放电和间歇放电。连续放电是指在规定放电条件下，续放电和间歇放电。连续放电是指在规定放电条件下，连续放电至终止电压。间歇放电是指电池在规定的放连续放电至终止电压。间歇放电是指电池在规定的放电条件下放电间断进行，直至所规定的终止电压为止。电条件下放电间断进行，直至所规定的终止电压为止。终止电压：电池放电时，电压降到不宜再继续放电的终止电压：电池放电时，电压降到不宜再继续放电的最佳工作电压称为工作电压。最佳工作电压称为工作电压。第31页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的高温性能锂离子电池的高温性能电池充电结束后，将电池放入电池充电结束后，将电池放入602的高温箱中恒温的高温箱中恒温2h，然后以，然后以1C5A电流恒流放电至电流恒流放电至2.75V。放电时间不小于。放电时间不小于54分钟。后将电池取出在环境温度分钟。后将电池取出在环境温度205的条件下搁置的条件下搁置2h,电池外观无变形、无爆裂。电池外观无变形、无爆裂。电池充电结束后，将电池放入电池充电结束后，将电池放入-102的低温箱中恒温的低温箱中恒温2h后，以后，以0.5C5A电流恒流放电至终止电压电流恒流放电至终止电压2.75V。放电时间不。放电时间不小于小于1.8h。后将电池取出在环境温度。后将电池取出在环境温度205的条件下搁置的条件下搁置2h，电池外观无变形、无爆裂。，电池外观无变形、无爆裂。锂离子电池的低温特性锂离子电池的低温特性第32页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的温度特性锂离子电池的温度特性放电平台电压有明显下降，但放电容量相差不大。放电平台电压有明显下降，但放电容量相差不大。第33页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的循环寿命锂离子电池的循环寿命在环境温度在环境温度205的条件下，以的条件下，以1C5A恒流充电，当电池端电压达恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流为直到充电电流为105mA，停止充，停止充电；搁置电；搁置0.5h1h，然后以，然后以1C5A电流恒流放电至终止电压电流恒流放电至终止电压2.75V，搁置，搁置0.5h1h，再进行下，再进行下一个充放电循环。直至连续两次放电一个充放电循环。直至连续两次放电容量小于容量小于80%的的1C5A放电容量，放电容量，认为寿命终止，循环寿命不小于认为寿命终止，循环寿命不小于300次。次。内阻的增加，导致充电不足内阻的增加，导致充电不足第34页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的储存特性锂离子电池的储存特性0254060第35页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估第36页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的结构锂离子电池的结构无论是何种锂离子电池的基本结构为：正极片、负极片、正无论是何种锂离子电池的基本结构为：正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳、密封圈及盖板等。负极集流体、隔膜纸、外壳、密封圈及盖板等。正极材料：正极材料：一般选择相对锂而言电位大于一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。将。将LiCoO2与与粘结剂混合，然后碾压粘结剂混合，然后碾压在正极集流体（铝箔）上制成正极片。在正极集流体（铝箔）上制成正极片。第37页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性负极材料：负极材料：做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.40.6，y=0.60.4，z=(23x5y)/2)等。将石墨与等。将石墨与粘结剂混合碾压在负极集流体（铜箔）上。粘结剂混合碾压在负极集流体（铜箔）上。锂离子电池的结构锂离子电池的结构电解液：电解液：锂离子电池的电解液是锂离子电池的电解液是有机溶剂有机溶剂和和无机盐无机盐构成的，采用构成的，采用LiPF6的乙烯碳酸脂（的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导率平均约为）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导率平均约为-110-3S/cm，比水溶液电解质低近两个数量级。因此，为了使商品锂离，比水溶液电解质低近两个数量级。因此，为了使商品锂离子电池能在较高电流下充、放电，电极必须很薄，以增加电极的总面积，子电池能在较高电流下充、放电，电极必须很薄，以增加电极的总面积，降低电极的实际工作电流密度。降低电极的实际工作电流密度。第38页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性隔膜：隔膜：隔膜采用聚烯微多孔膜如隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。起到了热保险作用。锂离子电池的结构锂离子电池的结构外壳：外壳：外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。第39页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性此结构一般为此结构一般为液态锂离子电液态锂离子电池所采用池所采用,也是也是最古老的结构最古老的结构之一，偶尔在之一，偶尔在较早的手机上较早的手机上还能找到它的还能找到它的影子。目前大影子。目前大多数用在笔记多数用在笔记本电脑的电池本电脑的电池组里面。组里面。安全阀安全阀正温度正温度系数的系数的电阻元电阻元件件卷边压缩密封卷边压缩密封锂离子电池的结构锂离子电池的结构第40页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性现今最普遍的液态现今最普遍的液态锂离子电池形态，锂离子电池形态，广泛的应用在各个广泛的应用在各个移动电子设备的电移动电子设备的电池组里面，特别是池组里面，特别是手机电池。左图画手机电池。左图画面是面是sanyo生产的生产的UP383450，即，即3.8mm*34mm*50mm，标称容量达，标称容量达到到650mAh。方形电池的正极往是一种金属方形电池的正极往是一种金属陶瓷或金属陶瓷或金属破璃绝缘子破璃绝缘子它实现了正极与壳体之间的绝缘。它实现了正极与壳体之间的绝缘。激光焊接激光焊接锂离子电池的结构锂离子电池的结构第41页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性此种可充电的锂此种可充电的锂离子电池不常见，离子电池不常见，容量不大在几个容量不大在几个到几十到几十mAhmAh之间之间,应用领域也不广应用领域也不广泛。泛。锂离子电池的结构锂离子电池的结构第42页，此课件共120页哦2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性锂离子电池的命名锂离子电池的命名圆柱形锂离子二次电池的命名圆柱形锂离子二次电池的命名：用三个字母和：用三个字母和5位数字来表示，位数字来表示，前两个字母表示锂离子电池前两个字母表示锂离子电池(LI)，后一个字母表示圆柱形，后一个字母表示圆柱形(R)，前两位数字表示以前两位数字表示以mm为单位的最大直径，后三位数字表示以为单位的最大直径，后三位数字表示以0.lmm为单位的最大高度，如为单位的最大高度，如LIR18650即表示直径为即表示直径为18mm，高，高65mm的圆柱形锂离子电池。的圆柱形锂离子电池。方形锂离子二次电池的命名方形锂离子二次电池的命名：用三个字母和：用三个字母和6位数字来表示，位数字来表示，前两个字母表示锂离子电池前两个字母表示锂离子电池(LI)，后一个字母表示方形，后一个字母表示方形(S)，前两，前两位数字表示以位数字表示以mm为单位的最大厚度，中间两位数字表示以为单位的最大厚度，中间两位数字表示以mm为单为单位的宽度，后两位数字以位的宽度，后两位数字以mm为单位的最大高度，如为单位的最大高度，如LIS043048即表示厚度为即表示厚度为4mm，宽，宽30mm，高，高48mm的方形锂离子电池。的方形锂离子电池。第43页，此课件共120页哦3锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的应用与发展前景锂离子电池的发展方向锂离子电池的发展方向发展电动汽车用大容量锂离子电池发展电动汽车用大容量锂离子电池开发及使用新的高性能电极材料开发及使用新的高性能电极材料加速聚合物理离子电池的实用化进程加速聚合物理离子电池的实用化进程第44页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料负极材料负极材料正极材料正极材料电解质材料电解质材料第45页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料演变过程锂离子电池负极材料演变过程第46页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料金属锂金属锂比容量最高的负极材料比容量最高的负极材料负极：金属锂负极：金属锂固固态态电电解解质质界界面面膜膜SEI直接使用金属锂仍处于研究阶段直接使用金属锂仍处于研究阶段弥散态的锂弥散态的锂枝晶枝晶软短路软短路局部温度升高局部温度升高硬短路硬短路第47页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料金属锂金属锂为了解决这一问题，主要在三个方面展开研究：为了解决这一问题，主要在三个方面展开研究：寻找替代金属锂的负极材料；寻找替代金属锂的负极材料；采用聚合物电解质来避免金属锂与有机溶剂反应；采用聚合物电解质来避免金属锂与有机溶剂反应；改进有机电解液的配方，使金属锂在充放电循环中保持改进有机电解液的配方，使金属锂在充放电循环中保持光滑均一的表面。光滑均一的表面。前两个方面已取得重大进展。前两个方面已取得重大进展。优点：比容量高优点：比容量高缺点：安全性差，循环性差缺点：安全性差，循环性差第48页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料合金类负极材料合金类负极材料优点优点：避免了枝晶的生长，提高了安全性。：避免了枝晶的生长，提高了安全性。主要问题主要问题：在反复循环过程中，锂合金将经历较大的体：在反复循环过程中，锂合金将经历较大的体积变化，电极材料逐渐粉化失效，合金结构遭到破坏。积变化，电极材料逐渐粉化失效，合金结构遭到破坏。主要材料主要材料：LiAlFe、LiPb、LiAl、LiSn、LiIn、LiBi、LiZn、LiCd、LiAlB、LiSi等等含含锂锂合合金金第49页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料合金类负极材料合金类负极材料复合体系的采用，解决了维度不稳定的缺点：复合体系的采用，解决了维度不稳定的缺点：采用混合导体全固态复合体系：即将活性物质采用混合导体全固态复合体系：即将活性物质(如如LixSi)均匀分散在非活性的锂均匀分散在非活性的锂合金中，其中活性物质与锂反应非活性物质提供反应通道；合金中，其中活性物质与锂反应非活性物质提供反应通道；将锂合金与相应金属的金属间化合物混合，如将将锂合金与相应金属的金属间化合物混合，如将LixAl台金与台金与Al3Ni混混合；合；将锂合金分散在导电聚合物中，如将将锂合金分散在导电聚合物中，如将LixAl、LixPb分散在聚乙炔或聚并分散在聚乙炔或聚并苯中。其中导电聚合物提供一个弹性、多孔、有较高电子和离子电导苯中。其中导电聚合物提供一个弹性、多孔、有较高电子和离子电导率的支撑体；率的支撑体；将小颗粒的锂合金嵌入到一个稳定的网络支撑体中。将小颗粒的锂合金嵌入到一个稳定的网络支撑体中。效果效果：提高了锂合金体系的维度稳定性，但仍不能达到实用化的程度。：提高了锂合金体系的维度稳定性，但仍不能达到实用化的程度。含含锂锂合合金金第50页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料合金类负极材料合金类负极材料非非锂锂合合金金主要材料主要材料1、纳米级、纳米级(大于大于100nm)的的Sn及及SnSb、SnAg金属间化合物（电沉积的方法）；金属间化合物（电沉积的方法）；2、Sn0.88Sb合金（化学沉积法）；合金（化学沉积法）；3、SnFeSnFeC复合材料体系；复合材料体系；4、CuSn5合金；合金；5、纳米硅基复合材料。、纳米硅基复合材料。合金类负极材料的最佳选择合金类负极材料的最佳选择纳米合金复合材料纳米合金复合材料的优点：在充放电过程中绝对体积变化较小，电极结构有较高的的优点：在充放电过程中绝对体积变化较小，电极结构有较高的稳定性。纳米材料的比表面积很大，存在大量的晶界，有利于改善电极反应动力学稳定性。纳米材料的比表面积很大，存在大量的晶界，有利于改善电极反应动力学性能。性能。第51页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池碳负极材料应符合以下要求锂离子电池碳负极材料应符合以下要求（1）锂贮存量高；（2）锂在碳中的嵌入-脱嵌反应快，即锂离子在固相内的扩散系数大，在电极/点解液界面的移动阻抗小；（3）锂离子在电极材料中的存在状态稳定；（4）在电池的充放电循环中，碳负极材料的体积变化小；电子导电性高；（6）碳材料在电解液溶液中不溶解。第52页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料碳负极材料碳负极材料优点优点1、电池的安全性大大提高；、电池的安全性大大提高；2、在充放电过程中不会形成锂枝晶，避免了电池内部短路，大大、在充放电过程中不会形成锂枝晶，避免了电池内部短路，大大延长了电池的寿命；延长了电池的寿命；3、充放电可逆性好；、充放电可逆性好；4、容量大；、容量大；5、放电平台低。、放电平台低。缺点：容量循环衰减缺点：容量循环衰减主要材料主要材料：石墨、碳纤维、石油焦、无序碳和有机裂解碳等。：石墨、碳纤维、石油焦、无序碳和有机裂解碳等。日本索尼日本索尼：硬碳：硬碳 三洋公司三洋公司：天然石墨：天然石墨 松下公司松下公司：中间相碳微珠：中间相碳微珠第53页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料碳负极材料碳负极材料一般制备负极材料的方法：一般制备负极材料的方法：在一定高温下加热软碳得到高度石墨化的碳；在一定高温下加热软碳得到高度石墨化的碳；将具有特殊结构的交联树脂在高温下分解得到硬碳；将具有特殊结构的交联树脂在高温下分解得到硬碳；高温热分解有机物和高聚物制备含氢碳。高温热分解有机物和高聚物制备含氢碳。第54页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料碳负极材料碳负极材料碳碳的的同同素素异异形形体体金金刚刚石石富富勒勒烯烯石石墨墨无无定定形形碳碳乱乱层层石石墨墨第55页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料碳负极材料碳负极材料石石墨墨六方石墨六方石墨三方石墨三方石墨范德华力范德华力第56页，此课件共120页哦4锂离子电池材料锂离子电池材料锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料碳负极材料碳负极材料锂锂石石墨墨嵌嵌入入化化合合物物锂嵌入石墨层间，形成多级嵌人化合物属于施主型嵌入化合物。锂嵌入石墨层间，形成多级嵌人化合物属于施主型嵌入化合物。一级嵌锂化合物一级嵌锂化