1、锂离子电池基础知识周猛上海大学2017.11.15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-3.045 V，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：分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌
2、锂离能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子工作的独特机理的锂离子电池形象地称为电池形象地称为“摇椅式摇椅式电池电池”，俗称，俗称“锂电锂电”。 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199
3、0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年为年为止，整个市场每年约止，整个市场每年约4亿只该类电池用于纯消费类电子产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、手提电脑等品。便携式摄像机、移动电话、手提电脑等95以上使以上使用锂离子二次电池作为主要电源。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： 100 Wh/Kg以上，为镍
4、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：3.6 V，镍基电池为，镍基电池为1.2 V；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的温度范围内工作，低温下的工作优于其它电池池 ；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%充电后冷藏保存，可以保存达十年之久充电后冷藏保存，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
5、重金属，无污染。：无重金属，无污染。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 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：1 C 2 C；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。 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。由于人分导
6、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。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体了一种非常易燃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，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
7、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SONY锂电池锂电池中，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
8、。生短路、产生火花。才导致了这些锂离子电池的不稳定。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、氧化锰分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型、氧化锰锂型和磷酸铁锂型等；锂型和磷酸铁锂型等；按按电解质材料电解质材料不同分类：液态锂离子电池、聚合物锂不同分类：液态锂离子电池、聚合物锂离子电池离子电池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
9、态锂：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LiCoO2，负，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。极使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, 而聚而聚合物锂离子电池则以合物锂离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，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）这种电
10、解质既不是游离电解质也不是固体电解质）来代替来代替, 这种聚合物可以这种聚合物可以是是“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（正和铝箔（正极）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（正和铝箔（正极）极）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合
11、物锂离子电池比能量高，电性能优良，不漏液，抗聚合物锂离子电池比能量高，电性能优良，不漏液，抗过充电，结构简单，可以制成任意形状的超薄形电池。聚过充电，结构简单，可以制成任意形状的超薄形电池。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锂离子电池提高能量将会比目前的液态锂离子电池提高50以上。此外以上。此外,聚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。基于以上优点，聚合物锂离子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
12、下一代锂离子电池。电池被誉为下一代锂离子电池。锂离子电池对聚合物电解质的主要要求是离子电导率高，锂离子电池对聚合物电解质的主要要求是离子电导率高，电化学性能和热性能稳定，机械性能柔韧，机械强度高。电化学性能和热性能稳定，机械性能柔韧，机械强度高。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）电池电动势：在等温等压条件下，当体系发生变化）电池电动势：在等温等压条件下，当体系发生变化时，体系吉布斯自由能的减少等于对外所做的最大膨胀功，时，体系吉布斯自由能的减少等于对外所做的最大膨胀功，如果非膨胀功只有电工，则如果非膨胀功只有电工，则G=-nFE。当电池中的化学能
13、。当电池中的化学能以不可逆方式转变为电能时，两极间的电位差以不可逆方式转变为电能时，两极间的电位差E一定小于一定小于可逆电动势可逆电动势E。（2）电池内阻：电池内阻有欧姆电阻和电极在电化学反）电池内阻：电池内阻有欧姆电阻和电极在电化学反应是所表现出的极化电阻。欧姆电阻、极化电阻之和为电应是所表现出的极化电阻。欧姆电阻、极化电阻之和为电池的内阻。欧姆电阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各池的内阻。欧姆电阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化电阻是指电化学反应时由部分零件的接触电阻组成。极化电阻是指电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。极化引起的电
14、阻，包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。（3）开路电压和工作电压：开路电压是指外电路没有电）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。工作电压又称为放电电压或负荷电压，是指有电流流势。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，电池两极间的电位差。工作电压总是低于开过外电路时，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，必须克服极化电阻和路电压，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。欧姆电阻所造成的阻力。（4）电池容量和比容
15、量：电池容量是指一定放电条件下）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、实际容量和额定容可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，量。比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量，称为质量比容量或体积比容量。称为质量比容量或体积比容量。（5）电池的能量和比能量：电池在一定的条件下对外做）电池的能量和比能量：电池在一定的条件下对外做功所输出的电能叫电池的能量，单位用功所输出的电能叫电池的能量，单位用Wh表示。单位体表示。单位体积或单位质量给出的能量称为电池的比体积能量或比质量积或单位质量给出的能量称为
16、电池的比体积能量或比质量能量。能量。（6）电池的功率和比功率：电池的功率是指在一定的放）电池的功率和比功率：电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为W或或KW。比功率是指单位质量或单位体积电池输出的功率。比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）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放电引起的。负极腐蚀：由于负极多为活泼金属，其极自放电引起的。负极腐蚀：由于负极多为
17、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，标准电极电位比氢电极负，特别是有正电性金属杂质时，杂质与负电极形成腐蚀微电池。正电极自放电：正极上发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消耗正极活性物质，使电池容量下降。生副反应时消耗正极活性物质，使电池容量下降。（8）电池寿命：二次电池的寿命分充、放电寿命和湿搁）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，电池容量降至规定值之前，电池所受的循的放电制度下，电池容量降至规定值之前，电池所受的循环次
18、数，称为使用周期。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）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、安全性等放电性能、温度性能、循环寿命、自放电特性、安全性等。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，锂离子二次电池明其工作原理。一般，锂离子二次电池是
19、由是由正极正极、电解液电解液、隔膜隔膜以及以及负极负极构成。构成。充电时，正极中的锂离子从充电时，正极中的锂离子从LiCoO2层状层状结构中脱出，结构中脱出，Co元素的化合价由元素的化合价由升升高到高到，正极材料发生氧化反应，同，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，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构内和碳化合生在负极碳材料的层状结构内和碳化合生成成LiCX。电池在接上负载时，则两电极。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发生反应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极之间，的逆反应。隔膜位于正负反应电极之间
20、，隔膜可以透过离子，但却不允许电子透隔膜可以透过离子，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 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。电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为（称为终止充电电压）一般为4.2V；锂离子电池终止放电；锂离子电池终止放电电压为电压为2.5V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到。
21、如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继续使用，则称为过放电，对电池有损害。后还继续使用，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，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、过压、过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均度、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电阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放集成了热敏电阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放电保护电路。电保护电路。锂
22、离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理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：预充结束电压及短路判断电压路判断电压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2 锂
23、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预充电阶段是在电池电压低于压低于3V时，电池不时，电池不能承受大电流的充电。能承受大电流的充电。这时有必要以小电流对这时有必要以小电流对电池进行浮充。电池进行浮充。锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理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
24、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，达到了时，达到了电池承受电压的极限。这时应以电池承受电压的极限。这时应以4.2V的电压恒压充电。这时充电的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于电流逐渐降低。当充电电流小于30mA时，电池即充满了。这时时，电池即充满了。这时要停止充电。否则，电池因过充要停止充电。否则，电池因过充而降低寿命。恒压充电阶段要求而降低寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为电压控制精度为1%。依国家标。依国家标准，
25、锂离子电池要能在准，锂离子电池要能在1C的充电的充电电流下，可以循环充放电电流下，可以循环充放电500次次以上。依一般的电池使用三天一以上。依一般的电池使用三天一充。这样电池的寿命应在充。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时，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充电。如果在锂离子电池最虚弱的低压时（低于低压时（低于2.5V）就以大电流冲）就以大电流冲击，将会严重损害电池的寿
26、命。击，将会严重损害电池的寿命。 另外，这类的充电器均为直接另外，这类的充电器均为直接市电市电220V接入，转换为接入，转换为5V的低压直的低压直流。因为转换效率低下，会产生大流。因为转换效率低下，会产生大量的热。热量直接叠加在了电池上，量的热。热量直接叠加在了电池上，使电池温度过高，这对电池有很大使电池温度过高，这对电池有很大损害。损害。 锂离子电池的充电原理锂离子电池的充电原理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 恒恒流充电，当电池端电压达到充电限制电
27、压流充电，当电池端电压达到充电限制电压 4.20V 时，改为时，改为恒压充电，直到充电电流小于恒压充电，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 恒流恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压充电，当电池端电压达到充电限制电压 4.2V 时，改为恒压时，改为恒压充电，直到充电电流小于充电，直到充电电流小于 10mA ，停止充电。，停止充电。 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，此外还有放电方法：放电有恒流放电和恒阻
28、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连续放电和间歇放电。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件下，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。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。的最佳工作电压称为工作电压。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
29、高温箱的高温箱中恒温中恒温 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。放电时间不小于电时间不小于 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 的低温箱中的低温箱中恒温恒温 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 。放电时间不小于放电时间不小于 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 的条件下搁置的条件下
30、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。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 的条件的条件下，以下，以 1C5A 恒流充电，当恒流充电，当电池端电压达到充电限制电电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到压时，改为恒压充电，直到充电电流为充电电流为 105mA ，停止，停
31、止充电；搁置充电；搁置 0.5h 1h ，然，然后以后以 1C5A 电流恒流放电至电流恒流放电至终止电压终止电压 2.75V ，搁置，搁置 0.5h1h ，再进行下一个充放，再进行下一个充放电循环。直至连续两次放电电循环。直至连续两次放电容量小于容量小于 80% 的的 1C5A 放电放电容量，认为寿命终止，循环容量，认为寿命终止，循环寿命不小于寿命不小于 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02540602 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
32、电池的安全评估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、密封圈及盖极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳、密封圈及盖板等。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且在空且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如气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，然后粘结剂混合，然后碾压在正极集流体（铝箔）上制成正极片。碾压在正极集流体（
33、铝箔）上制成正极片。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、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、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括碳纤维、中间相小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=(2 3x5y)/2)等。将石墨与粘结剂混合碾压在负极集流体（铜箔）上。等。将石墨与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
34、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）和低粘度二乙基碳酸脂（基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导率平均约为率平均约为-110-3 S/cm，比水溶液电解质低近两个数量级。因，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，降低电极的
35、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。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，或它们复合膜，尤其是尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的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。抗穿刺强度，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。 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
36、电液态锂离子电池所采用池所采用,也也是最古老的结是最古老的结构之一，偶尔构之一，偶尔在较早的手机在较早的手机上还能找到它上还能找到它的影子。目前的影子。目前大多数用在笔大多数用在笔记本电脑的电记本电脑的电池组里面。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， 广泛的应广泛的应用在各个移动电用在各个移动电子设备的电池组子设备的电池组里面，特别是手里面，特别是手机电池。左图画机电池。左图画面是面是sanyo生产生
37、产的的UP383450，即即3.8mm*34mm*50mm，标称容，标称容量达到量达到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破璃绝缘子它实现了正极与壳体之间的绝缘。绝缘子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此种可充电的锂离子电池不锂离子电池不常见，容量不常见，容量不大在几个到几大在几个到几十十mAhmAh之间之间, ,应应用领域也不广用领域也不广泛。泛。锂离子电池的结构锂离子电池的结构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
38、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位数字来位数字来表示，前两个字母表示锂离子电池表示，前两个字母表示锂离子电池(LI)，后一个字母表示，后一个字母表示圆柱形圆柱形(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，后为单位的最大直径，后三位数字表示以三位数字表示以0.lmm为单位的最大高度，如为单位的最大高度，如LIR18650即即表示直径为表示直径为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位数字来表位数字来表示
39、，前两个字母表示锂离子电池示，前两个字母表示锂离子电池(LI)，后一个字母表示方，后一个字母表示方形形(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，中间两为单位的最大厚度，中间两位数字表示以位数字表示以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为单位为单位的最大高度，如的最大高度，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。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
40、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
41、升高局部温度升高硬短路硬短路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。保持光滑均一的表面。 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4 锂离子
42、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：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，合金结构遭到破体积变化，电极材料逐渐粉化失效，合金结构遭到破坏。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
43、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；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
44、较高电子和或聚并苯中。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率的支撑体；离子电导率的支撑体；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：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。度。含含锂锂合合金金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100 nm)的的Sn及及SnSb、SnAg金属间化合物（电沉积金属间化合物（电沉积的方法）；的方法）；
45、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性能。界，有利于改善电极反应动力学性能。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
46、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。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、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；路，大大延长了电池的寿命；3、充放电可逆性好；、充
47、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
48、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。 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
49、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，一般用电到最大程度时的电量，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，是锂离子可逆地嵌入石墨层间，嵌入量一般不应超过嵌入量一般不应超过LiC6，相应电化学容量为，相应电化学容量为372mAh/g。石墨类碳的
50、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的关的关系为系为Q372(1P)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嵌入石墨石墨层间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a ab b面面和边缘面形成和边缘面形成活性位吸附活性位吸附锂锂石墨石墨4
