锂离子电池介绍精选课件.ppt

关于锂离子电池介绍第一页，本课件共有125页摘要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二页，本课件共有125页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，是金属元素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在属元素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在TiS2和和MoS2等嵌入化合物中嵌入或脱嵌。等嵌入化合物中嵌入或脱嵌。锂离子电池锂离子电池：分别用二个能可：分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为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“锂电锂电”。第三页，本课件共有125页电子技术的发展，对高比能量的移动电源需求量加电子技术的发展，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，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，放电电压高，比能量大等优点。自从重量轻，放电电压高，比能量大等优点。自从1990年年SONY公司推出世界上第一只锂离子电池，到公司推出世界上第一只锂离子电池，到2001年为止，年为止，整个市场每年约整个市场每年约4亿只该类电池用于纯消费类电子产品。便携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、手提电脑等式摄像机、移动电话、手提电脑等95以上使用锂离子二次电以上使用锂离子二次电池作为主要电源。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四页，本课件共有125页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五页，本课件共有125页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%充充电后冷藏保存，可以保存达十年之久电后冷藏保存，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。第六页，本课件共有125页第七页，本课件共有125页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 第八页，本课件共有125页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。第九页，本课件共有125页一般认为，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。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体的液体锂盐类电解质。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。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。随着热量积蓄，电池将会进入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“热失控热失控”状态。此状态。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过程中混入了过多的锂电池中，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。才导致了这些锂离子电池的不稳定。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。第十页，本课件共有125页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1、液态锂离子电池、液态锂离子电池(lithiumionbattery,简称为简称为LIB)2、聚合物锂离子电池、聚合物锂离子电池(polymerlithiumionbattery,简称为简称为LIP)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：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。一般正极使用子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2，负极使，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。用各种碳材料如石墨，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,而聚合物锂而聚合物锂离子电池则以离子电池则以聚合物电解质聚合物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。第十一页，本课件共有125页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第十二页，本课件共有125页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由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电液由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电液泄露，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄。也不会产生泄露，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄。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锂离子电池提高50以上。此外以上。此外,聚合物锂离子电池在工作电压、聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比液态锂离子电池有所提高。基于以充放电循环寿命等方面都比液态锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。第十三页，本课件共有125页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、氧化镍锂型和氧化锰锂型分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型和氧化锰锂型第十四页，本课件共有125页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十五页，本课件共有125页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十六页，本课件共有125页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十七页，本课件共有125页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工作原理。一般，锂离子二次电池是由正极正极、电解液电解液、隔膜隔膜以及以及负极负极构成。充电时，正极构成。充电时，正极中的锂离子从中的锂离子从LiCoO2层状结构中脱出，层状结构中脱出，Co元元素的化合价由素的化合价由升高到升高到，正极材料，正极材料发生氧化反应，同时锂离子经过电解液迁发生氧化反应，同时锂离子经过电解液迁移到电池的负极，在负极碳材料的层状结移到电池的负极，在负极碳材料的层状结构内和碳化合生成构内和碳化合生成LiCX。电池在接上负载。电池在接上负载时，则两电极上所发生的反应分别为充电时，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许电子透过，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程度的微短路时，隔膜还起到阻断保护作用。用。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理第十八页，本课件共有125页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十九页，本课件共有125页锂离子电池的额定电压为锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满时的电压（称为。电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为终止充电电压）一般为4.2V；锂离子电池终止放电电压为；锂离子电池终止放电电压为2.5V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继后还继续使用，则称为过放电，对电池有损害。续使用，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离子电池比较骄贵。如果不满足其充电及使用要求，很锂离子电池比较骄贵。如果不满足其充电及使用要求，很容易出现爆炸，寿命下降等现象。因为锂离子电池对温度、过容易出现爆炸，寿命下降等现象。因为锂离子电池对温度、过压、过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均集成了热敏压、过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均集成了热敏电阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放电保护电路。电阻（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二十页，本课件共有125页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：预充结束电压及短路判断电压判断电压第二十一页，本课件共有125页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二十二页，本课件共有125页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，电池不能承时，电池不能承受大电流的充电。这时受大电流的充电。这时有必要以小电流对电池有必要以小电流对电池进行浮充。进行浮充。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第二十三页，本课件共有125页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电池可以承受大电流的充电了。这时应以的充电了。这时应以恒定的大电流充电。恒定的大电流充电。以使锂离子快速均匀以使锂离子快速均匀转移，这个电流值越转移，这个电流值越大，对电池的充满及大，对电池的充满及寿命越有利。寿命越有利。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第二十四页，本课件共有125页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低。压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于当充电电流小于30mA时，电池即时，电池即充满了。这时要停止充电。否则，充满了。这时要停止充电。否则，电池因过充而降低寿命。恒压充电池因过充而降低寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为电阶段要求电压控制精度为1%。依国家标准，锂离子电池要能在依国家标准，锂离子电池要能在1C的充电电流下，可以循环充放电的充电电流下，可以循环充放电500次以上。依一般的电池使用三天一充。次以上。依一般的电池使用三天一充。这样电池的寿命应在这样电池的寿命应在4年。年。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理第二十五页，本课件共有125页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。热量直转换效率低下，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，这接叠加在了电池上，使电池温度过高，这对电池有很大损害。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二十六页，本课件共有125页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恒流充恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压电，当电池端电压达到充电限制电压4.20V时，改为恒压充电，时，改为恒压充电，直到充电电流小于直到充电电流小于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，直时，改为恒压充电，直到充电电流小于到充电电流小于10mA，停止充电。，停止充电。第二十七页，本课件共有125页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第二十八页，本课件共有125页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在较高放电率下在较高放电率下(1.0C以上以上)，虽然放电，虽然放电电压有所下降，但电压有所下降，但截止到截止到2.5V终止电压终止电压时的放电容量却降低时的放电容量却降低很少。很少。第二十九页，本课件共有125页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的高温箱中恒的高温箱中恒温温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。放电时间不小于小于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的条件的条件下搁置下搁置2h,电池外观无变形、无爆裂。电池外观无变形、无爆裂。第三十页，本课件共有125页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低温特性锂离子电池的低温特性电池充电结束后，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。放电时间不小于间不小于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的条件下的条件下搁置搁置2h，电池外观无变形、无爆裂。，电池外观无变形、无爆裂。第三十一页，本课件共有125页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。第三十二页，本课件共有125页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，的条件下，以以1C5A恒流充电，当电池端电恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流为充电，直到充电电流为105mA，停止充电；搁置，停止充电；搁置0.5h1h，然后以，然后以1C5A电流恒流放电电流恒流放电至终止电压至终止电压2.75V，搁置，搁置0.5h1h，再进行下一个充放电，再进行下一个充放电循环。直至连续两次放电容量小循环。直至连续两次放电容量小于于80%的的1C5A放电容量，认放电容量，认为寿命终止，循环寿命不小于为寿命终止，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，导致充电不足第三十三页，本课件共有125页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第三十四页，本课件共有125页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三十五页，本课件共有125页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性过过充充试试验验利用恒定电流持续给电芯充电，设定固定电压上限。电芯内部在负极上产生锂离子枝晶，刺穿隔利用恒定电流持续给电芯充电，设定固定电压上限。电芯内部在负极上产生锂离子枝晶，刺穿隔膜是通过该试验最大的威胁。膜是通过该试验最大的威胁。锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估第三十六页，本课件共有125页短短路路试试验验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用小电阻的导线直接连接正负极，使电池形成超大电流回路，电池内部快速升温用小电阻的导线直接连接正负极，使电池形成超大电流回路，电池内部快速升温第三十七页，本课件共有125页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针针刺刺试试验验用铁针垂直穿透电池，持续形成内部短路用铁针垂直穿透电池，持续形成内部短路第三十八页，本课件共有125页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性热热冲冲击击把电芯放入高温箱中，把电芯放入高温箱中，以标准规定的速度升温以标准规定的速度升温，持续的高温导致内部隔膜熔化，形成大面积内部短，持续的高温导致内部隔膜熔化，形成大面积内部短路路。锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估第三十九页，本课件共有125页2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性如如何何采采购购1、选择使用锰酸锂材料的、选择使用锰酸锂材料的电池；电池；2、委托权威部门进行安全性委托权威部门进行安全性的检测，进行现场考验；的检测，进行现场考验；3、开展长时间、大量的安开展长时间、大量的安全测试，以检测保护电路、全测试，以检测保护电路、电芯的可靠性；电芯的可靠性；4、选择有实力的供应商为合选择有实力的供应商为合作伙伴。作伙伴。联想集团开发的安全锂离子电池联想集团开发的安全锂离子电池锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估第四十页，本课件共有125页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且在空气中稳定的嵌锂且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。第四十一页，本课件共有125页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、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，包括中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复、锡复合氧化物合氧化物SnBxPyOz(x=0.40.6，y=0.60.4，z=(23x5y)/2)等。等。锂离子电池的结构锂离子电池的结构第四十二页，本课件共有125页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）和低粘度二乙基碳酸脂（脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导率平均）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导率平均约为约为-110-3S/cm，比水溶液电解质低近两个数量级。因此，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，降低电极的实际工作电流密度。很薄，以增加电极的总面积，降低电极的实际工作电流密度。电解液电解液锂离子电池的结构锂离子电池的结构第四十三页，本课件共有125页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第四十四页，本课件共有125页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。2锂离子电池的原理和特性锂离子电池的原理和特性外壳外壳锂离子电池的结构锂离子电池的结构第四十五页，本课件共有125页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液此结构一般为液态锂离子电池所态锂离子电池所采用采用,也是最古也是最古老的结构之一，老的结构之一，偶尔在较早的偶尔在较早的手机上还能找手机上还能找到它的影子。到它的影子。目前大多数用目前大多数用在笔记本电脑在笔记本电脑的电池组里面。的电池组里面。安全阀安全阀正温正温度系度系数的数的电阻电阻元件元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四十六页，本课件共有125页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现今最普遍的液态锂离子电池形态锂离子电池形态，态，广泛的应用广泛的应用在各个移动电子在各个移动电子设备的电池组里设备的电池组里面，特别是手机面，特别是手机电池。左图画面电池。左图画面是是sanyo生产的生产的UP383450，即，即3.8mm*34mm*50mm，标称容量，标称容量达到达到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四十七页，本课件共有125页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,应用领域也不应用领域也不广泛。广泛。锂离子电池的结构锂离子电池的结构第四十八页，本课件共有125页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)，前两位数字表示以前两位数字表示以mm为单位的最大厚度，中间两位数字表为单位的最大厚度，中间两位数字表示以示以mm为单位的宽度，后两位数字以为单位的宽度，后两位数字以mm为单位的最大高为单位的最大高度，如度，如LIS043048即表示厚度为即表示厚度为4mm，宽，宽30mm，高，高48mm的的方形锂离子电池。方形锂离子电池。第四十九页，本课件共有125页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应用锂离子电池的应用手机手机中中的的锂离子锂离子电池电池第五十页，本课件共有125页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应用锂离子电池的应用电动电动自行车自行车中中的的锂离子锂离子电池电池第五十一页，本课件共有125页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电动电动汽车汽车中中的的锂离子锂离子电池电池锂离子电池的应用锂离子电池的应用第五十二页，本课件共有125页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五十三页，本课件共有125页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五十四页，本课件共有125页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五十五页，本课件共有125页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：金属锂固态固态电解电解质界质界面膜面膜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五十六页，本课件共有125页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，循环性差第五十七页，本课件共有125页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五十八页，本课件共有125页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；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；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混合；混合；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率的支撑体；子电导率的支撑体；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五十九页，本课件共有125页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（电沉积的金属间化合物（电沉积的方法）；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性能。改善电极反应动力学性能。第六十页，本课件共有125页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，、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；大大延长了电池的寿命；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：中间相碳微珠第六十一页，本课件共有125页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。第六十二页，本课件共有125页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六十三页，本课件共有125页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六十四页，本课件共有125页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合物LiC6锂是完全离子化的锂是完全离子化的第六十五页，本课件共有125页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电电化化学学容容量量电化学容量：电化学容量：通常指单位质量的活性物质充电或放电到通常指单位质量的活性物质充电或放电到最大程度时的电量，一般用最大程度时的电量，一般用mAhg表示。表示。石墨类碳的充电机理石墨类碳的充电机理是锂离子可逆地嵌入石墨层间，嵌是锂离子可逆地嵌入石墨层间，嵌入量一般不应超过入量一般不应超过LiC6，相应电化学容量为，相应电化学容量为372mAh/g。石墨类碳的电化学容量石墨类碳的电化学容量Q与石墨结构无序度与石墨结构无序度P的关系为的关系为Q372(1P)第六十六页，本课件共有125页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电电化化学学容容量量嵌入石嵌入石墨层间墨层间在石墨层间在石墨层间形成最近邻形成最近邻的堆积的堆积插入到碳材插入到碳材料的空腔料的空腔在杂原子取在杂原子取代的碳中与代的碳中与杂原子相互杂原子相互作用作用在六方石墨与在六方石墨与菱形石墨相共菱形石墨相共存形成的缺陷存形成的缺陷位富集位富集在石墨在石墨ab面面形成多形成多层吸附层吸附在石墨在石墨abab面和面和边缘面形成活性位边缘面形成活性位吸附吸附锂锂石墨石墨第六十七页，本课件共有125页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天然石墨结构参数和电化学容量天然石墨结构参数和电化学容量菱形石墨含量越高，电化学容量越大菱形石墨含量越高，电化学容量越大电电化化学学容容量量第六十八页，本课件共有125页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电电化化学学容容量量储锂机制储锂机制：当锂嵌入到热解炭中，弱的：当锂嵌入到热解炭中，弱的CH键断裂，键断裂，Li取代取代H形成形成CLi键。相反脱嵌时，弱的键。相反脱嵌时，弱的CH键恢复，这样键恢复，这样CH键的破裂和恢复就使低温热解炭有键的破裂和恢复就使低温热解炭有高于石墨理论容量的附加容量。高于石墨理论容量的附加容量。低温热解炭的可逆容量在低温热解炭的可逆容量在400mAh/g900mAh/g之间之间第六十九页，本课件共有125页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不不可可逆逆容容量量损损失失不可逆容量损失不可逆容量损失：在充放电过程中，电极的充放：在充放电过程中，电极的充放电效率低于电效率低于100，即放电的电化学容量低于充电，即放电的电化学容量低于充电，损失的部分被称为不可逆容量损失