聚合物锂离子电池的设计英文教学讲座材料PPT
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锂离子电池 ppt课件
类别 钴酸锂 锰酸锂 安全 比容量 循环寿 电压 材料 性能 mAh/ 命/次 平台 成本 g 差 较好 较好 很好 145 105 160 150 ＞500 ＞ 500 ＞800 ＞ 1500 目前，磷酸铁锂材料最适合制作大型动力电池，已成为世界各国竞相研究 和开发的重要方向。
ppt课件 7
所占成 本比重 40% 25%
ppt课件 5
正极材料的要求
1. 具有较高的氧化还原电位，使
电池输出电压高 2. 可利用活性物质高，容量高 3. 充放电过程中，结构稳定 4. 氧化还原电位变化小 5. 化学稳定性好，与电解质反应 小 6. 较高的电子和离子导电率，大 电流充放电性能好 7. 价格便宜，对环境无污染
ppt课件 6
几种正极材料应用优劣势比较
ppt课件 19
聚合物锂离子电池
（1）固体聚合物电解质锂离子电池
（2）凝胶聚合物电解质锂离子电池 （3）聚合物正极材料的锂离子电池
由于用固体电解质代替了液体电解质 , 与液态锂离子电池 相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任 意形状化等优点，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锂离子 电池提高50％以上。
1.
ppt课件 9
常见负极材料
电极电动势
比容量
ppt课件
10
金属锂负极
由于锂在溶解沉积的过程中生成枝晶，导致电极的 表面积不断增大，新增加的表面由于生成 SEI 膜导 致与集体的接触不良，因此锂的溶解沉积效率较低。
充电前
ppt课件
充电后
11
ppt课件 7
所占成 本比重 40% 25%
ppt课件 5
正极材料的要求
1. 具有较高的氧化还原电位，使
电池输出电压高 2. 可利用活性物质高，容量高 3. 充放电过程中，结构稳定 4. 氧化还原电位变化小 5. 化学稳定性好，与电解质反应 小 6. 较高的电子和离子导电率，大 电流充放电性能好 7. 价格便宜，对环境无污染
ppt课件 6
几种正极材料应用优劣势比较
ppt课件 19
聚合物锂离子电池
（1）固体聚合物电解质锂离子电池
（2）凝胶聚合物电解质锂离子电池 （3）聚合物正极材料的锂离子电池
由于用固体电解质代替了液体电解质 , 与液态锂离子电池 相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任 意形状化等优点，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锂离子 电池提高50％以上。
1.
ppt课件 9
常见负极材料
电极电动势
比容量
ppt课件
10
金属锂负极
由于锂在溶解沉积的过程中生成枝晶，导致电极的 表面积不断增大，新增加的表面由于生成 SEI 膜导 致与集体的接触不良，因此锂的溶解沉积效率较低。
充电前
ppt课件
充电后
11
Li-ion-Battery-introduction锂离子电池介绍教学教材
high specific energy high specific power low self-discharge ratio low cost long life high safety
level
Page 9
Li-ion Battery Capacity Calculation for Anode
Page 2
Li-ion Battery Structure
Cylindrical Li-ion Battery structure
18650
Separator, cathode and anode are around the column.
Page 3
Li-ion Battery Structure
component Anode
material Li-embedded Transition metal oxides
Cathode
Li-embeddable compound etc.
Electrolyte
LiPF6 alkyl acid esters
Separator
polyene porous membrane
ennergy density 170 ideal
148
286
(mAh/g)
130-140 actual 100-120
200
voltage（V） cycle life
3.2-3.7 ＞2000
3.8-3.9 ＞500
3.4-4.3 inferior
transition metal very rich
Enclosure and metal package
Page 8
example LiCoO4,LiMnO4,LiCoMnOx,LiFePO4 (synthetic) graphite EC,PC ,EDC PE,PP,PP/PE/PP steel,aluminum
level
Page 9
Li-ion Battery Capacity Calculation for Anode
Page 2
Li-ion Battery Structure
Cylindrical Li-ion Battery structure
18650
Separator, cathode and anode are around the column.
Page 3
Li-ion Battery Structure
component Anode
material Li-embedded Transition metal oxides
Cathode
Li-embeddable compound etc.
Electrolyte
LiPF6 alkyl acid esters
Separator
polyene porous membrane
ennergy density 170 ideal
148
286
(mAh/g)
130-140 actual 100-120
200
voltage（V） cycle life
3.2-3.7 ＞2000
3.8-3.9 ＞500
3.4-4.3 inferior
transition metal very rich
Enclosure and metal package
Page 8
example LiCoO4,LiMnO4,LiCoMnOx,LiFePO4 (synthetic) graphite EC,PC ,EDC PE,PP,PP/PE/PP steel,aluminum
聚合物锂离子电池要点80页PPT
聚合物锂离子电池要点
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
锂离子电池知识培训ppt课件
3
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一.（2）锂离子电池定义及原理图
锂离子电池是一种充电电池，它
主要依靠锂离子在正极和负极之
间移动来工作。在充放电过程中， Li+ 在两个电极之间往返嵌入和 脱嵌：充电池时，Li+从正极脱 嵌，经过电解质嵌入负极，负极 处于富锂状态；放电时则相反。
镍氢电池
14
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
镍镉 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
锂离子电池容易与下面两种电 池混淆：
❖
（1）锂电池：存在锂单质。
❖
（2）锂离子聚合物电池：
用多聚物取代液态有机溶剂。
4
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一.（3）电池的分类 从电池的使用上分：
一次电池：是只能一次性使用的电池， 如：碱性电池、碳性电池、钮扣电池。 二次电池：是可反复使用的电池。如： 镍镉（Nicd）、镍氢（Nimh）、铅 酸、锂离子可充电池（Li-ion）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一.电池的基本知识
2
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一.（2）锂离子电池定义及原理图
锂离子电池是一种充电电池，它
主要依靠锂离子在正极和负极之
间移动来工作。在充放电过程中， Li+ 在两个电极之间往返嵌入和 脱嵌：充电池时，Li+从正极脱 嵌，经过电解质嵌入负极，负极 处于富锂状态；放电时则相反。
镍氢电池
14
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
镍镉 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
锂离子电池容易与下面两种电 池混淆：
❖
（1）锂电池：存在锂单质。
❖
（2）锂离子聚合物电池：
用多聚物取代液态有机溶剂。
4
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一.（3）电池的分类 从电池的使用上分：
一次电池：是只能一次性使用的电池， 如：碱性电池、碳性电池、钮扣电池。 二次电池：是可反复使用的电池。如： 镍镉（Nicd）、镍氢（Nimh）、铅 酸、锂离子可充电池（Li-ion）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一.电池的基本知识
2
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
锂离子电池ppt课件.ppt
由于他所作出的卓越贡献，他于1971年被电化学会授予青年作家奖， 于2004年被授予电池研究奖，并且被推举为会员。
病原体侵 入机体 ，消弱 机体防 御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
锂离子电池的产生
20世纪80年代末，日本Sony公司 提出者
病原体侵 入机体 ，消弱 机体防 御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
锂离子电池：炭材料锂电池 后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正
极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就 是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成， 生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构， 它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂 离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用 电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正 极的锂离子越多，放电容量越高。 目前所说的锂离子电池通常为锂二次电池。
电池的容量
电池的容量有额定容量和实际容量 之分。锂离子电池规定在常温、恒流 (1C)、恒压(4.2V)控制的充电条件下， 充电3h、再以0.2C放电至2.75V时，所 放出的电量为其额定容量。 电池的实际 容量是指电池在一定的放电条件下所放 出的实际电量，主要受放电倍率和温度 的影响（故严格来讲，电池容量应指明 充放电条件）。
1.1977年，首次发现并提出石墨嵌锂化合物 作为二次电池的电极材料。在此基础上，于 1980年首次提出“摇椅式电池”（Rocking Chair Batteries）概念，成功解决了锂负 极材料的安全性问题。
病原体侵 入机体 ，消弱 机体防 御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
锂离子电池的产生
20世纪80年代末，日本Sony公司 提出者
病原体侵 入机体 ，消弱 机体防 御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
锂离子电池：炭材料锂电池 后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正
极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就 是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成， 生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构， 它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂 离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用 电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正 极的锂离子越多，放电容量越高。 目前所说的锂离子电池通常为锂二次电池。
电池的容量
电池的容量有额定容量和实际容量 之分。锂离子电池规定在常温、恒流 (1C)、恒压(4.2V)控制的充电条件下， 充电3h、再以0.2C放电至2.75V时，所 放出的电量为其额定容量。 电池的实际 容量是指电池在一定的放电条件下所放 出的实际电量，主要受放电倍率和温度 的影响（故严格来讲，电池容量应指明 充放电条件）。
1.1977年，首次发现并提出石墨嵌锂化合物 作为二次电池的电极材料。在此基础上，于 1980年首次提出“摇椅式电池”（Rocking Chair Batteries）概念，成功解决了锂负 极材料的安全性问题。
聚合物锂离子电池的设计英文教学讲座材料PPT31页
(500~1000eV)
H e a tin g
Ultra high vacuum
Com bination of these techniques will clearly provide valuable inform ation about therm al stability of various types of cathodes m aterials and help designing cathode m aterials with superior therm al abuse tolerance !!
Charged cathode
It
Io
H e a tin g
Incident hard X-ray (6 ~ 10 keV)
Local structural and electronic structural inform ation (bulk) in elem ental-selective way during heating
Gasket
Separator
X-ray w in d o w
Diffraction pattern
Incident X-rays In situ cell
Al current collector
A c tiv e m a te ria l
Cu current collector
Li foil
1
Synchrotron based X-ray diffraction and absorption spectroscopy during heating
3. Soft X-ray absorption spectroscopy study of charged cathode m aterials
Li-ion-Battery-introduction锂离子电池介绍PPT课件
high specific energy high specific power low self-discharge ratio low cost long life high safety
level
Page 10
Li-ion Battery Capacity Calculation for Anode
Enclosure and metal package
Page 9
example LiCoO4,LiMnO4,LiCoMnOx,LiFePO4 (synthetic) graphite EC,PC ,EDC PE,PP,PP/PE/PP steel,aluminum
Li-ion Battery Performance requirements of anode materials
Page 3
Li-ion Battery Structure
Cylindrical Li-ion Battery structure
18650
Separator, cathode and anode are around the column.
Page 4
Li-ion Battery Structure
Prismatic Li-ion Battery Structure
Page 5
Li-ion Battery Structure
Coin Li-ion Battery structure
Page 6
Li-ion Battery Structure
Thin Film Li-ion Battery Structure
component Anode
material Li-embedded Transition metal oxides
level
Page 10
Li-ion Battery Capacity Calculation for Anode
Enclosure and metal package
Page 9
example LiCoO4,LiMnO4,LiCoMnOx,LiFePO4 (synthetic) graphite EC,PC ,EDC PE,PP,PP/PE/PP steel,aluminum
Li-ion Battery Performance requirements of anode materials
Page 3
Li-ion Battery Structure
Cylindrical Li-ion Battery structure
18650
Separator, cathode and anode are around the column.
Page 4
Li-ion Battery Structure
Prismatic Li-ion Battery Structure
Page 5
Li-ion Battery Structure
Coin Li-ion Battery structure
Page 6
Li-ion Battery Structure
Thin Film Li-ion Battery Structure
component Anode
material Li-embedded Transition metal oxides
聚合物锂离子电池的设计英文教学讲座材料PPT
+
V o lt a g e ( vVs . L i/ L i)
N o rm a liz e d in te n s ity (a . u .)
in situ XAS
5 .0
(III)
4 .5
(II)
4 .0
(I)
6 0 m A h g -1
3 .5
2 6 m A h g -1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
In situ cell
Position sensitive detector (PSD)
XRD setup
In situ cell
Mylar sheet Bolt holes
Gasket
Separator
X-ray w in d o w
Diffraction pattern
Incident X-rays In situ cell
Phase 2 Phase 3
H (311) H (121)
Two phase re a c tio n
No significant solid solution
re g io n
Existence of solid solution
re g io n s
Appearance of Interm ediate
3
In situ X R D of C -L iFe1/4M n1/4C o1/4N i1/4P O 4 durin g first charg e
C om parison w ith pure C -LiFePO 4
C -LiFePO 4
Phase1 C -L iM n 1/4F e1/4C o 1/4N i1/4P O 4
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3
In situ X R D of C -L iFe1/4M n1/4C o1/4N i1/4P O 4 durin g first charg e
C om parison w ith pure C -LiFePO 4
C -LiFePO 4
Phase1 C -L iM n 1/4F e1/4C o 1/4N i1/4P O 4
3. Soft X-ray absorption spectroscopy study of charged cathode m aterials
(bulk inform ation)
Fluorescent d etecto r(su rface in fo rm atio n )
Electron yield
1. Tim e-resolved XRD study of charged cathode m aterials
S am pHleesaitnin g capillary
Sam ples in capillary
Average structural inform ation (long range order) during heating
+
V o lt a g e ( vVs . L i/ L i)
N o rm a liz e d in te n s ity (a . u .)
in situ XAS
5 .0
(III)
4 .5
(II)
4 .0
(I)
6 0 m A h g -1
3 .5
2 6 m A h g -1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Using Synchrotron Based in situ X-ray Techniques and Transmission Electron Microscopy to Study Electrode Materials for Lithium Batteries
X. Q. Yang, K. W. Nam, X.J. Wang, Y.N. Zhou, H. S. Lee, O. Haas, L. Wu, and Y. Zhu Brookhaven National Lab. Upton, NY11973, USA
Oxygen release
Oxygen release
W hen x= 0.5 (50% of SOC) in LixMO2
Li0.5M (3.5+)O 2 (layered, R-3m ) Li0.5M (3.5+)1.0O 2 (disordered spinel, Fd3m ) ; no oxygen loss Li0.5M (3.5+)1.0O 2 (disordered spinel, Fd3m ) Li0.5M (2.5+)1.0O 1.5 (rock salt, Fm 3m ) + 0.25 O 2 ; oxygen release!!
C apacity ( m A h g-1 )
Cut-off voltage: ~ 5.0 V, C/7 rate
Edge shift toward higher energy position
increase in oxidation state
2 .0
Fe K-edge
2.0
M n K-edge
Al current collector
A c tiv e m a te ria l
Cu current collector
Li foil
2
Synchrotron based X-ray diffraction and absorption spectroscopy during heating
Studies on therm al decom position (therm al abuse tolerance) of cathode m aterials
(500~1000eV)
H e a tin g
Ultra high vacuum
Com bination of these techniques will clearly provide valuable inform ation about therm al stability of various types of cathodes m aterials and help designing cathode m aterials with superior therm al abuse tolerance !!
K . W . N am , X. Q . Yang et al, Electrochem istry C om m unication, in press (2009).
6
Thermal stability study of layered cathode materials (safety related issue)
9 3 m A h g -1
126 m A hg-1
0.5
142 m A hg-1
151 m A hg-1
171 m A h g-1
180 m A h g-1
6560
0 .0 7710
7720
7730
0.0 8320
8330
8340
8350
8360
Energy ( eV )
Three voltage plateaus at ~ 3.6, 4.2 and 4.7 V Redox reactions of Fe2+/Fe3+, M n2+/M n3+ and Co2+/Co3+. Voltage plateau over ~ 4.9V M ostly electrolyte decom position. Electronic structural changes follow ing the lithium extraction q uite w ell to balance the electrical neutrality.
Temperature induced structural changes of charged layered cathode materials
Transition metal layer
Layered LiMO2
Spinel-type LiM2O4
Rocksalt MO
lithium layer
Phase 2 Phase 3
H (311) H (121)
Two phase re a c tio n
No significant solid solution
re g io n
Existence of solid solution
re g io n s
Appearance of Interm ediate
W hen x= 0.33 (67% of SOC) in LixMO2 Li0.33M (3.67+)O 2 (layered, R-3m ) Li0.33M (3.21+)1.0O 1.77 (disordered spinel, Fd3m ) + 0.115 O 2 ; oxygen release!! Li0.33M(3.21+)1.0O1.77 (disordered spinel, Fd3m ) Li0.33M(2.33+)1.0O1.33 (rock salt, Fm3m ) + 0.22 O2 ; oxygen release!!
To be presented at the 4th Southern China Li-ion Battery Top Forum –CLTF2009 Shenzhen, China, May 25th, 2009
Combining in situ synchrotron XAS and XRD techniques to do diagnostic studies of battery materials and components at or near operating conditions
More charged state, more thermally unstable. Released oxygen causes safety problems (e.g., thermal runaway) by reacting with flammable electrolytes.
1 .5
Before charge
8 m A h g -1
1 7 m A h g -1
2 6 m A h g -1
1 .0
3 5 m A h g -1
5 3 m A h g -1
7 0 m A h g -1
0 .5
8 8 m A h g -1 1 6 8 m A h g -1
1.5
Before charge
In situ cell
Position sensitive detector (PSD)
XRD setup
In situ cell
Mylar sheet Bolt holes
Gasket
Separator
X-ray w in d o w
Diffraction pattern
Incident X-rays In situ cell
X19A & X18B (XAS) and X14A & X18A (XRD) at National Synchrotron Light Source (NSLS)
Ionization Detectors
In situ X R D of C -L iFe1/4M n1/4C o1/4N i1/4P O 4 durin g first charg e
C om parison w ith pure C -LiFePO 4
C -LiFePO 4
Phase1 C -L iM n 1/4F e1/4C o 1/4N i1/4P O 4
3. Soft X-ray absorption spectroscopy study of charged cathode m aterials
(bulk inform ation)
Fluorescent d etecto r(su rface in fo rm atio n )
Electron yield
1. Tim e-resolved XRD study of charged cathode m aterials
S am pHleesaitnin g capillary
Sam ples in capillary
Average structural inform ation (long range order) during heating
+
V o lt a g e ( vVs . L i/ L i)
N o rm a liz e d in te n s ity (a . u .)
in situ XAS
5 .0
(III)
4 .5
(II)
4 .0
(I)
6 0 m A h g -1
3 .5
2 6 m A h g -1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Using Synchrotron Based in situ X-ray Techniques and Transmission Electron Microscopy to Study Electrode Materials for Lithium Batteries
X. Q. Yang, K. W. Nam, X.J. Wang, Y.N. Zhou, H. S. Lee, O. Haas, L. Wu, and Y. Zhu Brookhaven National Lab. Upton, NY11973, USA
Oxygen release
Oxygen release
W hen x= 0.5 (50% of SOC) in LixMO2
Li0.5M (3.5+)O 2 (layered, R-3m ) Li0.5M (3.5+)1.0O 2 (disordered spinel, Fd3m ) ; no oxygen loss Li0.5M (3.5+)1.0O 2 (disordered spinel, Fd3m ) Li0.5M (2.5+)1.0O 1.5 (rock salt, Fm 3m ) + 0.25 O 2 ; oxygen release!!
C apacity ( m A h g-1 )
Cut-off voltage: ~ 5.0 V, C/7 rate
Edge shift toward higher energy position
increase in oxidation state
2 .0
Fe K-edge
2.0
M n K-edge
Al current collector
A c tiv e m a te ria l
Cu current collector
Li foil
2
Synchrotron based X-ray diffraction and absorption spectroscopy during heating
Studies on therm al decom position (therm al abuse tolerance) of cathode m aterials
(500~1000eV)
H e a tin g
Ultra high vacuum
Com bination of these techniques will clearly provide valuable inform ation about therm al stability of various types of cathodes m aterials and help designing cathode m aterials with superior therm al abuse tolerance !!
K . W . N am , X. Q . Yang et al, Electrochem istry C om m unication, in press (2009).
6
Thermal stability study of layered cathode materials (safety related issue)
9 3 m A h g -1
126 m A hg-1
0.5
142 m A hg-1
151 m A hg-1
171 m A h g-1
180 m A h g-1
6560
0 .0 7710
7720
7730
0.0 8320
8330
8340
8350
8360
Energy ( eV )
Three voltage plateaus at ~ 3.6, 4.2 and 4.7 V Redox reactions of Fe2+/Fe3+, M n2+/M n3+ and Co2+/Co3+. Voltage plateau over ~ 4.9V M ostly electrolyte decom position. Electronic structural changes follow ing the lithium extraction q uite w ell to balance the electrical neutrality.
Temperature induced structural changes of charged layered cathode materials
Transition metal layer
Layered LiMO2
Spinel-type LiM2O4
Rocksalt MO
lithium layer
Phase 2 Phase 3
H (311) H (121)
Two phase re a c tio n
No significant solid solution
re g io n
Existence of solid solution
re g io n s
Appearance of Interm ediate
W hen x= 0.33 (67% of SOC) in LixMO2 Li0.33M (3.67+)O 2 (layered, R-3m ) Li0.33M (3.21+)1.0O 1.77 (disordered spinel, Fd3m ) + 0.115 O 2 ; oxygen release!! Li0.33M(3.21+)1.0O1.77 (disordered spinel, Fd3m ) Li0.33M(2.33+)1.0O1.33 (rock salt, Fm3m ) + 0.22 O2 ; oxygen release!!
To be presented at the 4th Southern China Li-ion Battery Top Forum –CLTF2009 Shenzhen, China, May 25th, 2009
Combining in situ synchrotron XAS and XRD techniques to do diagnostic studies of battery materials and components at or near operating conditions
More charged state, more thermally unstable. Released oxygen causes safety problems (e.g., thermal runaway) by reacting with flammable electrolytes.
1 .5
Before charge
8 m A h g -1
1 7 m A h g -1
2 6 m A h g -1
1 .0
3 5 m A h g -1
5 3 m A h g -1
7 0 m A h g -1
0 .5
8 8 m A h g -1 1 6 8 m A h g -1
1.5
Before charge
In situ cell
Position sensitive detector (PSD)
XRD setup
In situ cell
Mylar sheet Bolt holes
Gasket
Separator
X-ray w in d o w
Diffraction pattern
Incident X-rays In situ cell
X19A & X18B (XAS) and X14A & X18A (XRD) at National Synchrotron Light Source (NSLS)
Ionization Detectors