1、1锂离子电池2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31 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锂离能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合
2、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”。 41 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51 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、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)；671 锂离子二次电池的概况锂离子二次电池的概况镉镍、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
4、 81 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、价格昂贵价格昂贵。91 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(lithium ion battery, 简称为简称为LIB)2、聚合物锂离子电池、聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为简称
5、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：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
6、是“干态干态”的的,也也可以是可以是“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。101 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没有隔膜铜箔（负极）铜箔（负极）和铝箔（正和铝箔（正极）极）111 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
7、：圆柱形、方形和扣式分类：圆柱形、方形和扣式( (钱币形钱币形) )；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122 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132 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142 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152 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
8、明其工作原理。一般，锂离子二次电池是由是由正极正极、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
9、，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16 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。电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为为终止充电电压）一般为4.2V；锂离子电池终止放电电压；锂离子电池终止放电电压为为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后后还继续使用，则称
10、为过放电，对电池有损害。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。锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理172 锂离子电池的原理和
11、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182 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192 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
12、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202 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。
13、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，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212 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
14、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
15、理锂离子电池的充电原理222 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
16、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。 232 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。 242 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
17、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搁置 2h ，电池外观无变形、无爆裂。，电池外观无变形、无爆裂。 252 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。262 锂离子电池的原
18、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
19、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272 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0254060282 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292 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。晶，刺穿隔膜是通过该试验
20、最大的威胁。 前提前提 环境温度环境温度 充电电充电电流流 试验过程试验过程 时间要求时间要求 结果要求结果要求 军工军工 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 0.2C 5A 直至保护电路起作用直至保护电路起作用 无无 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 轻工标准轻工标准 QB/T25022000 完全放电态的电池完全放电态的电池 20 5 0.2C 5A 可让保护电路起作用可让保护电路起作用 12.5h 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 04 科技部科技部 863 电动车蓄电电动车蓄电池池 按标准充满电，放按标准充满电，放 1 小时后小时后 20 5 1C 1(A) 电压达到电压达到 5.0V 或
21、充电或充电 90min 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 国家标准国家标准 GB/T 18287-2000 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 3C 5 A 上限电压上限电压 10V ， 温度下降峰值温度下降峰值 10 后结束实后结束实验验 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 UL 标准标准 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 对应电流和时间进行。对应电流和时间进行。 注：注： C 为标称容量，为标称容量， I C 为测试为测试电流电流 测试时间不得少测试时间不得少于于 48h 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估30短短路路试试验验 2 锂离子电池的原理和特性
22、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 前提前提 环境温度环境温度 短路方法短路方法 外部电阻外部电阻 时间时间 结果要求结果要求 军标军标 按标准充满电后的电按标准充满电后的电池组池组 20 5 用导线连接正负极用导线连接正负极 50m 直至保护电路起直至保护电路起作用作用 不爆炸、不燃烧、不爆炸、不燃烧、可正常充放电可正常充放电 轻工标准轻工标准 QB/T2502-2000 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 用导线连接正负
23、极用导线连接正负极 50m 6h 以上以上 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 2004 科技部科技部 863 电动车蓄电电动车蓄电池池 按标准充满电按标准充满电 1 小时小时后后 20 5 用导线连接正负极用导线连接正负极 10m 10min 不漏液、不爆炸不漏液、不爆炸或燃烧或燃烧 国家标准国家标准 GB/T 18287-2000 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 用导线连接正负极用导线连接正负极 50m 温度下降峰值温度下降峰值 10 后结束实验后结束实验 不爆炸、不燃烧，不爆炸、不燃烧，外部温度不得高外部温度不得高于于 150 UL 标准标准 按标准充满电后按标准充满电后 60 2 2
24、0 5 用导线连接正负极用导线连接正负极 0.1 直至温度下降直至温度下降接近环境温度接近环境温度 不爆炸、不燃不爆炸、不燃烧，外壳温度不烧，外壳温度不得高于得高于 150 312 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 前提前提 环境温度环境温度 钢钉钢钉 试验过程试验过程 时间要求时间要求 结果要求结果要求 军工军工 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 3mm 沿径向强力刺沿径向强力刺穿穿 无规定无规定 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 轻工标准轻工标准
25、QB/T2502-2000 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 2.5 5mm 中央与电极面中央与电极面垂直的方垂直的方向穿透向穿透 放置放置 6 小小时以时以上上 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 2004 科技部科技部 863 电动车蓄电电动车蓄电池池 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 3 8mm 垂直于极板的垂直于极板的方向迅速方向迅速贯穿贯穿 钢针停留钢针停留在其在其中中 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 UL 标准标准 按标准充满电后按标准充满电后 20 5 在电池的正面与侧面，在在电池的正面与侧面，在 3ms 内以最小加内以最小加速度速度 75g ，最大加速度，最大加速度 125
26、 -175g 撞撞击电池击电池 不爆炸、不燃烧、不爆炸、不燃烧、排出物排出物 5g 322 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，持续的高温导致内部隔膜熔化，形成大面积内部短路大面积内部短路 。前提前提 升温速率升温速率 上限温度上限温度 时间要求时间要求 结果要求结果要求 军工军工 按标准充满电后按标准充满电后 电池组在温度（电池组在温度（ -40 ）与（）与（ 70 ）之间循环）之间循环 4 次次 , 并在各个并在各个温度环境中恒温温度环境中恒温 2
27、小时，温度交替移动的时间不大于小时，温度交替移动的时间不大于 1min ，然后在，然后在 25 下保持下保持 2 小时小时 不变形、不开裂、不变形、不开裂、不漏液、可正常不漏液、可正常充放电充放电 轻工标准轻工标准 QB/T2502-2000 按标准充满电后按标准充满电后 5 1 130 60 min 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 2004 科技部科技部 863 电动车蓄电电动车蓄电池池 按标准充满电后按标准充满电后 5 2 70 2 20min 不漏液、不变形、不漏液、不变形、不爆炸或燃烧不爆炸或燃烧 国家标准国家标准 GB/T 18287-2000 按标准充满电后按标准充满电后 5 2 1
28、50 2 30 min 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 UL 标准标准 按标准充满电后按标准充满电后 5 2 150 2 10min 不爆炸、不燃烧不爆炸、不燃烧 锂离子电池的安全评估锂离子电池的安全评估332 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且在空气中稳定的且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。342 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
29、可嵌入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。等。锂离子电池的结构锂离子电池的结构352 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（
30、）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度）和低粘度二乙基碳酸脂（二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导率平均约为室温电导率平均约为-110-3 S/cm，比水溶液电解质低近两，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，降低电充、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。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362 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
31、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。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37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382 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,也也是最古老的结是最古老
32、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392 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生产生产的的UP383450，即即3.8mm*34mm*5
33、0mm，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402 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412 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
34、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，前两个字母表示锂离子电池示，前两个字母表示
35、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。423 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锂离子子电池电池433 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
36、电池的应用电动电动自行自行车车中中的的锂离锂离子子电池电池443 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锂离子子电池电池锂离子电池的应用锂离子电池的应用453 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464 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474 锂离子电池材料锂离子电池材料锂
37、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484 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494 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
38、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504 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
39、：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514 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)均匀分散均匀分散在非活性的锂合金中，其中活
40、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
41、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524 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）；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
42、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。534 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
43、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544 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
44、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。 554 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564 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574 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
45、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584 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，
46、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的关的关系为系为Q372(1P)594 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
47、 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604 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614 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键断键断裂，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
48、破裂和恢复就使低温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。热解炭有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624 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，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。通常由电，损失的部分被称为不可逆容量损失。通常由电极表面发生的不可逆副反应引起。电极表
49、面发生的不可逆副反应引起。634 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固固态态电电解解质质界界面面膜膜SEI主要组成为主要组成为Li2CO3、ROCO2LiSEI主要在第一主要在第一次充放电时产次充放电时产生，生，是不可逆是不可逆容量损失的主容量损失的主要来源要来源。此外，。此外，还影响电极的还影响电极的自放电、循环自放电、循环性、低温性能、性、低温性能、安全性和功率安全性和功率密度。密度。644 锂离子电池材料锂离子电池材料电电极极电电位位电极反应电极反应室温下碳电极的电极电位室温下碳电极的电极电位理想的负极材料的电
50、极电位应与金属锂接近随锂理想的负极材料的电极电位应与金属锂接近随锂的嵌入量不同变化不大。石墨的电极电位从的嵌入量不同变化不大。石墨的电极电位从0.4V到到0.0V(相对于相对于Li+/Li)之间变化，是比较合适的负极之间变化，是比较合适的负极材料。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654 锂离子电池材料锂离子电池材料充充放放电电倍倍率率充放电电流充放电电流ICN。其中。其中C为电池的额定容量值：为电池的额定容量值：N为放电小时数。为放电小时数。一个容量为一个容量为2Ah的电池以的电池以20小时率小时率(或或0.05C，或，或0.05倍率倍率)放电，则放电，则I100
