锂离子电池介绍
锂离子电池简介
锂离子电池简介2017-021.锂离子电池原理充电的时候，在外加电场的影响下，正极材料LiCoO2中的锂元素脱离出来，变成带正电荷的锂离子（Li+），在电场力的作用下，从正极移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生成LiC6，于是从正极跑出来的锂离子就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构当中。
从正极跑出来转移到负极的锂离子越多，电池可以存储的能量就越多。
放电的时候刚好相反，内部电场转向，锂离子（Li+）从负极脱离出来，顺着电场的方向，又跑回到正极，重新变成钴酸锂分子（LiCoO2）。
从负极跑出来转移到正极的锂离子越多，这个电池可以释放的能量就越多。
在每一次充放电循环过程中，锂离子（Li+）充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极→负极→正极来回的移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷的转移，这就是“锂离子电池”的基本原理。
由于电解质、隔离膜等都是电子的绝缘体，所以这个循环过程中，并没有电子在正负极之间的来回移动，它们只参与电极的化学反应。
2.锂离子电池构成锂离子电池内部需要包含几种基本材料：正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质。
正负极需要活性物质，是为了更容易参与化学反应，从而实现能量转换。
正负极材料不但要活泼，还需要具有非常稳定的结构，才能实现有序的、可控的化学反应。
一般选用锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料。
负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质。
电解质是锂离子传导的介质，要求锂离子电导率要高，电子电导率要小（绝缘），化学稳定性要好，热稳定性要好，电位窗口要宽。
人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。
有机溶剂有PC（碳酸丙烯酯），EC（碳酸乙烯酯），DMC（碳酸二甲酯），DEC （碳酸二乙酯），EMC（碳酸甲乙酯）等材料。
电解质锂盐有LiPF6，LiBF4等材料。
6大锂电池类型及性能参数!
6大锂电池类型及性能参数!锂电池是一种使用锂盐作为正极和负极活性物质的电池，被广泛应用于移动电子设备、电动车辆和储能系统等领域。
根据不同的电极材料和电解质，锂电池可以分为不同类型，在性能参数上也有所差异。
下面将介绍6种主要的锂电池类型及其性能参数。
1. 锂离子电池（Li-ion）锂离子电池是目前最常见的锂电池类型，其正极材料通常为氧化锂钴酸锂（LiCoO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）等。
电解液一般是有机溶剂，如碳酸酯类。
锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优点。
其性能参数包括能量密度、循环寿命、充放电效率等。
2.锂聚合物电池（LiPo）锂聚合物电池是一种使用聚合物电解质的锂电池，具有高能量密度、薄、轻和灵活等特点。
锂聚合物电池常用于手持设备和无人机等领域。
性能参数包括能量密度、循环寿命、安全性等。
3.磷酸铁锂电池（LiFePO4）磷酸铁锂电池是一种以磷酸铁锂作为正极材料的锂电池，具有高安全性、长循环寿命和良好的耐高温性能。
磷酸铁锂电池适用于电动车辆和储能系统等高功率应用场景。
性能参数包括循环寿命、充放电效率、安全性等。
4.钴酸锂电池（LiCoO2）钴酸锂电池是一种使用钴酸锂作为正极材料的锂电池，具有高能量密度和良好的性能稳定性。
钴酸锂电池适用于便携式电子设备和医疗器械等领域。
性能参数包括能量密度、循环寿命、充放电效率等。
5.氧化镍锰钴电池（NMC）氧化镍锰钴电池是一种复合正极材料的锂电池，具有高能量密度和安全性。
氧化镍锰钴电池广泛应用于电动车辆和储能系统等领域。
性能参数包括循环寿命、充放电效率、安全性等。
6.三元锂电池（LTO）三元锂电池以氧化锂钴酸锂为正极材料，以石墨和C-LiFePO4为负极材料，电解质为含有锂盐的有机碳酸酯类液体电解质。
其具有高充放电速率、良好的循环寿命和优秀的安全性能。
适用于高功率应用场景，如电动车辆和储能系统。
性能参数包括充放电效率、循环寿命、安全性等。
锂离子电池介绍
3 锂离子电池产业链
中国锂离子电池产量：
3 锂离子电池产业链
2016年动力电池市场份额：
3 锂离子电池产业链
• 五、航天军工电源 • 1.大型舰船类动力电源（航线、战船、大型邮轮、货轮等) • 2.航空飞行器所用动力电源(大型民航客机、商务飞机、直升机、战斗机 等飞行器具所用动力电源) • 3.航天载具动力电源系统(航天飞机、卫星、火箭、导弹等) • 4.军用装甲车，民用大型挖掘器械所用动力电源(坦克、装甲车、军用大 型装甲车辆、民用大型挖掘器械、大型吊车等)
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报告人：肖益帆
2 锂离子电池性能指标
充电效率和放电效率： 充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程度的量度。主要受电
池工艺、配方及电池的工作环境温度影响，一般环境温度越高，则充电效率越低。 放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比，主要
受放电倍率，环境温度，内阻等因素影响，一般情况下，放电倍率越高，则放电效率越低。温度越低， 放电效率越低。 自放电率：
分散剂（如NMP）、极耳、铝塑膜等。 • 电池成本分布如右图：
主要企业有：中信国安、宁波容百锂电 （金和锂电）、杉杉股份、江苏国泰、 贝特瑞、当升科技、天齐锂业、湖南中 科星城石墨、湖南中锂、新乡中科、星 原材质、惠强、新宙邦、天赐、国泰华 荣、北化所、香河昆仑、湖北中一等。
3 锂离子电池产业链
2014-2018年中国锂电正极材料产量及预测(单位：万吨)
什么是锂离子电池
什么是锂离子电池锂离子电池(Li-ion)是锂电池发展而来。
所以在介绍Li-ion 之前，先介绍锂电池。
举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。
锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。
电池组装完成后电池即有电压,不需充电.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。
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，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。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
在Li-ion 的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。
Li-ion 就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。
所以Li-ion 又叫摇椅式电池。
2.锂离子电池电池有哪几部分组成？（1）电池上下盖（2）正极——活性物质为氧化锂钴（3）隔膜——一种特殊的复合膜（4）负极——活性物质为碳（5）有机电解液（6）电池壳（分为钢壳和铝壳两种）3.锂离子电池电池有哪些优点？哪些缺点？锂离子电池具有以下优点：1）单体电池的工作电压高达3.6-3.8V：2）比能量大，目前能达到的实际比能量为100-115Wh/kg 和240-253Wh/L（2 倍于Nl-Cd，1.5 倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg 和400 Wh/L3）循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000 次.对于小电流放电的电器,电池的使用期限将倍增电器的竞。
锂离子电池的基本知识
锂离子电池的基本知识一般而言,电池有三部分构成:1.锂离子电芯2.保护电路(pcm)3.外壳即胶壳锂离子电芯是一种新型的电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中，只有锂离子在正负极间往来运动，电极和电解质不参与反应。
锂离子电芯的能量容量密度可以达到300wh，重量容量密度可以达到125wh。
一、电芯原理锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳定。
其反应示意图及基本反应式如下所示：二、电芯的构造锂电池的负极材料是锂金属，正极材料是碳材。
习惯上称为锂电池。
锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极材料是碳材。
为了区别于传统意义上的锂电池，称之为锂离子电池。
锂离子电池的主要构成:（1）电池盖（2）正极----活性物质为氧化钴锂(钴酸锂)（3）隔膜----一种特殊的複合膜（4）负极----活性物质为碳（5）有机电解液（6）电池壳电芯的正极是licoo2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已採用奈米碳。
根据上述的反应机理，正极採用licoo2、linio2、limn2o2，其中licoo2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从licoo2拿走xli后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于x的大小。
通过研究发现当x>时li1-xcoo2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。
所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制li1-xcoo2中的x值，一般充电电压不大于那幺x小于，这时li1-xcoo2的晶型仍是稳定的。
负极c6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极licoo2中的li被充到负极c6中，当放电时li回到正极licoo2中，但化成之后必须有一部分li留在负极c6中，心以保证下次充放电li的正常嵌入，否则电芯的压倒很短，为了保证有一部分li留在负极c6中，一般通过限制放电下限电压来实现。
锂离子电池介绍
如果发现锂离子电池膨胀，应立即停止使用 该电池，因为这可能是电池内部短路或过充 的迹象，可能导致爆炸或火灾等安全问题。
电池的保养与维护
定期检查
定期检查锂离子电池的外观、连接和性能，以确保电池正常工作 并避免潜在的安全问题。
清洁
使用干燥的布或纸巾清洁锂离子电池的表面，以去除灰尘和污垢， 保持电池外观整洁并确保散热良好。
电池检测与包装
对电池进行性能检测，确保其符合规格要求，并进行包 装。
生产设备与设施
材料混合设备
用于混合正负极材料和电解液的 设备。
涂布设备
用于将正负极材料涂布在金属箔 上的设备。
干燥设备
用于去除电极材料中的水分和气 体的设备。
检测与包装设备
用于对电池进行性能检测和包装 的设备。
注液与密封设备
用于将电解液注入电芯中并进行 密封的设备。
充电和存储
在充电和存储过程中，应遵循制造商的指示，确保锂离子电池得到 适当的充电和存储，以保持其性能和延长其寿命。
06
锂离子电池的发展趋势与未 来展望
技术创新与突破
固态电解质
固态电解质是下一代锂离子电池的关键技术，具有更高的 能量密度和安全性，能够解决现有锂离子电池的安全问题 和寿命问题。
锂硫电池
材料准备
根据电池规格和性能要求，选择合适的正负 极材料、电解液和隔膜。
涂布与碾压
将正负极材料涂布在金属箔上，并进行碾压， 以调整其厚度和密度。
干燥与除气
去除涂布后的电极材料中的水分和气体，以确保 电池性能稳定。
卷绕与组装
将正负极、隔膜和集流体等材料卷绕在一起，组成 电池的电芯。
注液与密封
将电解液注入电芯中，并进行密封，以形成完整 的电池结构。
锂离子电池知识介绍
放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到正 极中。
二、锂离子电池工作原理
锂离子电池工作原理图
四、锂离子电池各组成部分工作原理说明
• 正极材料：
当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反 之。一般采用嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、 LiMn2O4、LiFePO4 等，正极的作用就是提供锂源和存储锂离子。
• 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SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz等，负极的 作用就是存储从正极嵌入的锂离子。
四、锂离子电池各组成部分工作原理说明
• 电解液：
电解液的电解质为无机盐LiPF6，溶剂主要是一些有机物液体， PC（碳酸丙烯酯），EC（碳酸乙烯酯），DMC（碳酸二甲酯），DEC （碳酸二乙酯），EMC（碳酸甲乙酯）等。
随着技术及产品研究的深入，锂离子电池的应用范围将会进一步 扩大，将会遍及到我们生活中的各个领域。
锂电实验室 刘云峰
• 外壳：
电池组装完成后，放置到电池外壳中。 外壳类型有铝壳、钢壳、铝塑膜等。 外壳的作用就是能够安全、密封的存放电芯及电解液。
三、锂离子电池各组成部分工作原理说明
• 锂离子电池充电原理图
锂离子电池组装完成后，首先要对电池 进行充电激活，锂离子电池的充电过程 分三个阶段：预充电阶段；恒流充电阶 段；恒压充电阶段。预充电阶段是在电 池电压低于3V时，电池不能承受大电流 的充电，这时有必要以小电流对电池进 行浮充；恒流充电阶段，当电池电压达 到3V时，电池可以承受大电流的充电， 这时应以恒定的大电流充电，以使锂离 子快速均匀转移；恒压充电阶段，当电 池电压达到4.2V时，达到了电池承受电 压的极限，对电池进行进行恒压充电。
《锂离子电池介绍》课件
发展趋势
寻找高比容量、高稳定 性、低成本的负极材料
是当前的研究重点。
电解液
作用
电解液在锂离子电池中起到传 输锂离子的作用，是电池内部
电荷转移的媒介。
种类
主要包括有机电解液和无机电 解液。
性能特点
电解液的离子电导率、电化学 稳定性、闪点等对电池的安全 性能和使用寿命有重要影响。
发展趋势
安全问题
锂离子电池在过充、过放、高温等条件下可能发生燃烧或爆炸，对使用者和环境造成威 胁。
解决方法
采用高安全性的材料，如阻燃电解质和高温稳定的正负极材料。同时，加强电池管理系 统，防止电池过充和过放，并实时监测电池温度和电压，确保电池在安全范围内工作。
锂离子电池的回收与再利用问题
回收与再利用问题
随着锂离子电池的大规模应用，废旧电池的处理和资源回收成为了一个重要的问题。
锂离子电池的种类
圆柱形锂离子电池
常见于电子产品，如手机、笔记本电 脑等。
方形锂离子电池
扣式锂离子电池
常用于小型电子设备，如手表、计算 器等。
适用于电动汽车、储能系统等领域。
锂离子电池的应用领域
01
02
03
电子产品
由于其高能量密度和较长 的使用寿命，锂离子电池 广泛应用于手机、笔记本 电脑等电子产品。
开发新型电解液体系以提高电 池性能和安全性是当前的研究
重点。
隔膜
作用
隔膜在锂离子电池中起到隔离正负极，防止 短路的作用，同时允许锂离子的通过。
性能特点
隔膜的孔径、孔隙率、透气性等对电池的充 放电性能和使用寿命有重要影响。
种类
主要包括聚烯烃隔膜和聚酯隔膜等。
发展趋势
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第一原理的计算方法（VASP）
基于密度泛函理论（DFT） 平面波基 GGA，GGA+U
平均电压公式（原来的，现在大家用的）：
1) *) 重点讨论电池的充放电“电压”
The current widely used average voltage formula is
V E(Lix2 host) [E(Lix1host) (x2 x1)Ebulk (Li)] (x2 x1)e
平均电压公式推导：
- exV G E PV TS
TS 和 kBT 同一数量级； PV 10－5 eV/Li atom V E
ex
V E(Lix2 host) [E(Lix1host) (x2 x1)Ebulk (Li)] (x2 x1)e
理解方式：
- N(x2 x1)eV N E(Lix2host) [N E(Lix1host) N(x2 x1)Ebulk (Li)]
所以，外电路的电流（由补偿电子形成）＝内电路的 电流（由 Li＋形成）！
P.S.: 如果正极材料不导电，也会破坏电流回路的形成。
Voltage versus capacity
for electrode materials
M2+/M3+ in Li2MSiO4
M3+/M4+ in Li2MSiO4
J.-M. Tarascon & M. Armand, Nature, 414 (2001) 359
- eV1 G E PV TS - eV1 E
充电电流 0 时：
V1
E ( Li N0 host )
[ E ( Li N0 1host ) e
Ebulk
( Li )]
对比：
V E(Lix2 host) [E(Lix1host) (x2 x1)Ebulk (Li)] (x2 x1)e
[锂离子电池目前本质上还是 experimental] 理论计算的目标：
1）实现 理论与实验 的密切配合，使理论工作服 务于实验研究（争取发挥理论的指导作用）。
2）理论工作的最终目的是实现从材料结构预测到 性能评估的系统性的理论模拟研究。
现有的理论方法：
对已知结构的材料体系
• 可以深入研究电极材料的 嵌锂/脱锂电位及其电子结构、 充放电循环过程中的结构变化、离子及电子输运机理 （部分）及电荷转移机制等，可以帮助深化对锂离子 电池中基本物理化学问题的认识。
锂离子电池的三种工作机理：
1）Li+嵌入/脱嵌 机理： insertion / extraction intercalation / deintercalation
2）合金化/去合金化：alloying / dealloying 3）Conversion reaction
我们重点只讨论（1）嵌入/脱嵌 机制。
电压平台
物理系
充电电流 0 时：
充电电流 0 时 (with infinitesimally slow rate)，Li＋ 可 以被认为是一个一个地从正极被移到（外电场的作用下） 负极 (enough slow).
第一个Li＋被移动的条件是： “eV = 正极中 Li 的空位 形成能” ，此时才刚刚出现电流。这里 V 就对应着第一个 充电平台（最初的电压）。
使用I 0 时的公式, 可以计算任意一点（容量）的电压。
电极材料的理论计算
涉及的材料： Cathode:
Li2MSiO4 (M = Mn, Fe, Co, Ni)
Na2MPO4F (Na, Li, M=Mn, Fe) FeF3, CuF2 fluorinated graphene … …
- N(x2 x1)eV N E(Lix2host) [N E(Lix1host) N(x2 x1)Ebulk (Li)]
由上式或原来的电压公式，令 N (x2 x1) 1 Nx2 Nx1 即获得。 Nx2 N0
Li2FeSiO4 第一次充电的曲线：
222
使用超原胞计算各电压平台 等：
或者, 条件是：“外电场对体系所做的功 = 体系能量 (或Gibbs 能)的增加”。
充电电流 0 时： 假设以Li为负极。
条件1： “- eV = 正极中 Li 的空位形成能” 。
eV1 E(LiN0host) [E(LiN01host) Ebulk (Li)]
N0 为大数。
或者, 条件2：“外电场对体系所做的功 = 体系能量(或 Gibbs 能)的增加”。
• 可以揭示更为明确的晶体结构、局域原子结构及电子 结构与电极材料性能关系的经验规律，并用于预测、 评估不同材料作为锂离子电池电极材料的可能性。
Keywords:
Voltage (Li 脱嵌，嵌入) Capacity (mAh per weight, &
per volume，
理论，实际)
Power (low, high) Safety (a key point!) Structural stability (Volume change) Electronic conductivity Ionic mobility (Li+) SEI (Solid Electrolyte Interface) ……
使用充电电流 0 时(LiN0host) [E(LiN01host) Ebulk (Li)]
第一台阶结束处：
eVN01 E(LiN0N11host) [E(LiN0N1host) Ebulk (Li)]
第二台阶（起始处估算）：
eV20 E(LiN0N1host) [E(LiN0N11host) Ebulk (Li)]
锂离子电池 和电极材料的理论计算
锂离子电池的原理：
锂离子电池的构件：
锂离子电池的构成： 负极极耳，负极，电解液，隔膜，正极，正极极耳，
保护电路（防止过充过放），外壳等。 隔膜（separator）：20-40 um 厚, 不导电，隔开电子。
但有许多小孔让离子通过。
内外电路是一个回路：
“内外电路是一个回路”，这个概念是很重要的。当正 极中一个锂离子被外电场拔出时，就会有一个电子在正极 中“呆不下去”，所以就形成了所谓的一个“电子补偿”。