新能源材料与技术-第2章 锂离子电池材料-2
锂离子电池正极材料知识概述PPT(共 42张)
压实密度
压实密度与材料的理论密度和颗粒形貌、粒度分布等有关。 理论密度 = 单胞内原子总质量/单胞体积
三元材料可以看作为Ni、Co和Mn取代LiCoO2中的Co，与 LiCoO2同为六方结构，都属R-3m空间群。 Ni、Co和Mn的原子 量、离子半径相近，因此理论密度相近。
在实际应用中，LiCoO2的压实密度（RX767）可达4.2 g/cm3，
目前研究较多的锂离子电池正极材料有LiCoO2、镍钴二元， 镍钴锰、锰类化合物、LiFePO4等。
3. 锂离子电池正极材料
3.1 LiCoO2
LiCoO2最早是由Goodenough等人在1980年提出可以用 于锂离子电池的正极材料，之后得到了广泛的研究。
LiCoO2具有合成方法简单，工作电压高，充放电电压 平稳，循环性能好等优点，是最早用于商品化的锂离子电 池的正极材料，也是目前应用最广泛的正极材料。
LixMn2O4在过放电（1 x 2）的情况下， 在3 V左右出现电压平台，锂离子嵌入到空的16c 八面体位置，产生结构扭曲，原来的立方体 LiMn2O4转变为四面体Li2Mn2O4，锰从3.5价还 原为3.0价。该转变伴随着严重的Janh-Teller畸变， c/a变化达到16％，晶胞体积增加6.5％，导致表 面的尖晶石粒子发生破裂。因此，LiMn2O4只能 作为理想4 V锂离子电池正极材料，其理论容量 为148 mAh/g，实际容量为120 mAh/g。
3.1.1 LiCoO2的结构
3
1
4 2
Co3+ (3b)
O2 (6c)
Li+ (3a)
LiCoO2具有-NaFeO2结构，属六方晶系， R-3m空间群，其中6c位上的O为立方密堆积，3a 位的Li和3b位的Co分别交替占据其八面体孔隙， 在[111] 晶面方向上呈层状排列，理论容量为274 mAh/g。
《锂离子电池》课件
安全性能与环境影响
安全性能
锂离子电池的安全性能是其应用领域的重要考量因素。由于锂离子电池内部存在 可燃物质，不当使用或过充过放可能导致电池起火或爆炸。因此，提高锂离子电 池的安全性能是技术发展的重要方向。
环境影响
锂离子电池在使用和处理过程中可能对环境产生一定影响。主要包括废旧电池处 理问题、电解液泄漏和重金属元素释放等。因此，发展环保型的锂离子电池技术 也是当前的重要研究方向。
能量密度与功率密度
能量密度
锂离子电池的能量密度是指单位体积或质量所存储的电能，是衡量电池储能能 力的重要指标。提高能量密度是锂离子电池技术发展的重要方向。
功率密度
锂离子电池的功率密度是指单位体积或质量所输出的电能，是衡量电池快速充 放电能力的重要指标。提高功率密度有助于提升电动汽车等设备的加速性能和 响应速度。
为锂离子电池产业提供更广阔的发展空间。
06
锂离子电池的挑战与解决 方案
锂离子电池的安全问题与解决方案
总结词
锂离子电池的安全问题是当前面临的重要挑 战，包括过热、过充、短路等情况下的安全 隐患。
详细描述
为了解决锂离子电池的安全问题，需要采取 一系列措施，如改进电池设计、提高电池管 理系统智能化水平、加强生产工艺控制等。 此外，研发新型安全材料也是重要的研究方
工作原理
锂离子电池通过锂离子在正负极之间的迁移实现电能的储存和释放。充电时，锂离子从正极脱出，通过电解液和 隔膜迁移到负极并嵌入；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解液和隔膜迁移到正极并嵌入，同时电子通过外电 路传递形成电流。
锂离子电池的种类
01
02
03
根据正极材料
钴酸锂、磷酸铁锂、三元 材料等。
根据用途
新能源材料与技术-第2章 锂离子电池材料-1
离子电池的组成
14
01锂离子电池概述
八、锂离子电池的组成
锂离子电池的结构一般包括以下部件:正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、 绝缘材料、安全阀、PTC (正温度控制端子)、电池壳。 以圆柱形锂离子电池为例，其结构如图2-2 (a)所示，扣式电池的结构与圆柱形电池的结构相似。方形 锂离子电池的结构如图2-2 (b)所示。聚合物锂离子电池的结构如图2-2 (c)所示。
以LiCoO2为例：
充电 放电
充电 放电
充电 放电
12
01锂离子电池概述
七、锂离子电池与锂原电池（锂电池）的主要区别
1. 锂电池是一次电池，不可充电；锂离子电池是二次电池，可充电； 2. 在负极材料的选择上，锂电池（锂原电池或者锂金属电池）使用锂金属或者锂合金为负极，
而锂离子电池主要选择的是石墨类材料。 3. 原理不同：锂电池是锂做负极发生的氧化还原反应；锂离子电池是通过锂离子在石墨负极上
能刺透在正负极之间起电子绝缘作用的隔膜，最终触到正极，造成电池内部短路，引起安全问题。 4. 1980年，M. Armand 提出了“摇椅式”二次锂电池的设想，即正负极材料采用可以储存和交换锂离子的
层状化合物，充放电过程中锂离子在正负极之间穿梭，从一边“摇”到另一边，往复循环，相当于锂的 浓差电池。 5. 在20世纪80年代初期，Goodenough 合成了 LiMO2 (M=Co、Ni、Mn) 化合物，这些材料均为层状化 合物，能够可逆地嵌入和脱出锂，后来逐渐发展成为二次电池的正极材料。这类材料的发现改变了二 次锂电池锂源为负极的传统思想。
锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。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，到达负极的锂离子 就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电 容量越高。放电时，锂离子从负极脱嵌进入正极。
新能源器件设计实验-材料科学与工程 教学大纲
《新能源器件设计实验》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑三、教学内容及进度安排四、课程考核注：各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》五、教材及参考资料教材：自编讲义参考书：[1] 《锂离子电池材料合成与应用》冯传启，王石泉，吴慧敏编著，科学出版社2017，第31版，ISBN：9787030512031[2] 《锂离子电池》郭炳焜，徐徽，王先友，肖立新编著，中南大学出版社，2002，第一版，ISBN：9787810615631[3] 《锂离子电池原理与关键技术》黄可龙，王兆翔，刘素琴编著，-北京：化学工业出版社，2007，第一版，ISBN：9787122016720[4] 《锂离子电池-应用与实践》吴宇平，戴晓兵，马军旗，程预江编著，-北京：化学工业出版社，2004，第一版，ISBN：9787502552664六、教学条件硬件条件：实验场地：实验室面积不小于60 m2，配有电教设备，有供水，供电（供电须有短路及漏电保护），实验室须配备灭火器；通用仪器：精度0.01g电子天平2台,精度0.1 mg电子天平2台；实验室用纯水装置1台；CHI660E电化学工作站（配有一台一体机电脑）20台；电磁加热搅拌器20台；锂离子电池测试仪1 mA量程的4台，10 mA量程的2台；用于封装锂离子纽扣电池的手套箱一台（双工位操作）实验室需要配备两台简易的办公用电脑，用于特殊情况（尤其是家庭困难）学生使用现代用具撰写实验报告；实验用到的相关化学药品及试剂。
软件条件：6个专业教师（每人负责一个实验）；专业数据分析软件（电化学工作站自带）、Origin 9.0实验绘图软件、文献数据库（知网、Web of Science）。
大纲执笔人：马国强审核人(专业负责人/系主任)：制定时间：2022年8月16日附录：各类考核评分标准表1、新能源器件设计实验课程共6个实验，学生最后总成绩为所有实验内容的平均成绩；2、实验报告要求使用现代化办公软件按照课程所提供的模板撰写，每晚交一周扣10分；3、如有发现伪造实验数据，全部实验成绩直接记为零分。
新能源材料技术教学大纲.doc
新能源材料技术教学大纲学时：32 学分：2教学大纲说明一课程的目的和任务《新能源材料技术》是材料物理与化学和材料工程硕士专业的一门专业选修课程，课程教学的任务与目的是使学生掌握锂离子电池关键正负极材料、以质子交换膜型和中温固体氧化物为代表的燃料电池材料、硅半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氧、氤为代表的反应堆核能材料的相关知识及应用。
扩大专业知识面，为将来从事相关技术工作打下初步基础。
二、课程的基本要求通过本课程的教学，力图使学生达到：1、能体现学科专业发展的前沿。
本课程力图在《材料科学基础》和《材料化学》等学科的基础上，探索新能源领域中相关无机材料的制备和应用，课程的深度和广度能体现学科专业发展的前沿。
2、掌握电动汽车用动力电池材料的关键技术，采用新技术和工艺方法，合成新物质和新材料。
3、掌握锂离子电池材料、燃料电池材料、薄膜太阳能电池材料和核能材料的相关知识及应用。
三、与其它课程的联系与分工新能源材料是一类非常重要的新型无机材料，学生学习本门课程之前应学习《材料化学》、《材料科学基础》、《材料热力学》等专业课程。
而通过本门课程的学习，学生可以深化对其他课程所学知识的理解。
四、课程的内容与学时分配章次内容总学时数课堂讲授时数实验时数绪论22一锂离子电池材料1010二燃料电池材料88三太阳能电池材料88四核能材料44总学时数3232五本课程的性质及适应对象材料类硕士研究生各专业选修教学大纲内容绪论（2学时）教学内容：人类社会对能源的需求与面临的挑战，新能源与新能源材料，新能源材料的主要进展教学提示：本章重点在于让学生了解和掌握新能源与新能源材料的概念，新能源材料的主要进展。
第一章锂离子电池材料（10学时）教学内容：锂离子电池概述，负极材料，正极材料，电解质材料，锂离子电池的应用教学提示：本章重点在于让学生了解和掌握锂离子电池的概念，掌握锂离子电池负极材料，正极材料，电解质材料，隔膜材料的各自特点及其在锂离子电池中的应用。
锂离子电池材料与制备书
锂离子电池材料与制备书
锂离子电池是一种常见的可充电电池，其正极材料、负极材料和电解液的选择对电池性能至关重要。
以下是关于锂离子电池材料和制备的概述：
1. 正极材料：
- 常用的正极材料包括锂钴酸锂（LiCoO2）、锂铁磷酸锂（LiFePO4）和锂镍锰酸锂（LiNiMnCoO2）。
这些材料具有高比能量、良好的循环寿命和稳定性。
- 正极材料的制备通常是通过固相合成或湿法制备的方法来实现的。
其中，固相合成是最常见的方法之一，它涉及到原料的混合、球磨和烧结等步骤。
2. 负极材料：
- 常用的负极材料是石墨（graphite），它可以插入和释放锂离子。
此外，也有其他材料如硅基材料和锡基材料等被研究用于提高电池容量。
- 石墨作为负极材料一般是经过浸渍、干燥和烘烤等多个步骤制备而成。
3. 电解液：
- 锂离子电池的常用电解液是含有锂盐（如锂六氟磷酸盐、锂硼酸盐等）和有机溶剂（如碳酸酯、碳酸醇等）的混合物。
- 通常，电解液的制备包括将锂盐溶解在有机溶剂中，并通过过滤和脱水等工艺净化和处理。
4. 制备步骤：
- 锂离子电池的制备一般包括正极材料的制备、负极材料的制备、电解液的制备以及电池组装和封装等步骤。
- 在制备过程中，需要注意材料的纯度和纳米级粒子的控制，以确保电池具有良好的性能和可靠性。
总的来说，锂离子电池的材料与制备是一个复杂的过程，涉及到多个步骤和材料。
随着科技的发展，人们对于电池材料性能提升和制备工艺的研究也在不断深入。
2.材料科学进展新能源材料2
工作原理
2.锂离子电池结构及工作原理
各类锂电池产品
LIB工作原理
锂离子电池是由两 个能可逆的嵌入与脱 嵌的锂离子的化合物 作为正负极构成的二 次电池。充电时,锂离 子从正极中脱嵌, 在负 极中嵌入, 放电时反之。
LIB电池涉及的材料
正极材料； 负极材料； 电解质材料； 聚合物隔膜； 正负极导电添加剂； 正负极活性物质； 电池壳； 密封件； 防爆片
LIB电池负极材料
1、金属锂 解决金属锂负极不稳定的方法： 1）寻找新的负极材料； 2）采用聚合物电解质避免Li与有机溶剂反应； 3）改进有机电解液配方。
LIB电池负极材料
2、锂合金 • 各种常见锂合金材料：LiAl, LiPd, LiSn, LiBi, LiIn, LiAlFe, LiAlB, LiSi等。
2、有机太阳电池 3、光化学太阳电池
太阳能电池材料
电池种类
单晶硅 多晶硅 硅多晶薄膜 非晶硅 GaAs CdS/CdTe 硒镓铟铜
转换效率（%）
24 19 12 10 30 15 14
太阳能电池材料
空间电源系统的面积 随太阳能电池转换效 率的提高而不断减小
DJ:GaInP/GaAs/Ge
太阳能电池材料
LIB电池正极材料
LIB电池正极 材料不仅作为电 极材料参加电化 学反应，而且可 作为离子源。大 多为含锂的过渡 族金属化合物。
LIB电池正极材料及其放电电位
LIB电池正极材料
三种主要的LIB电池正极材料LiCoO2, LiNiO2和 LiMn2O4的性能对比
理论比 密度 实际比容 量 容量 （mAh/g) （mAh/g) (g/cm3)
锂离子电池
笔记本电脑及其锂离子电池
《锂离子电池》课件
锂离子电池的未来发展趋势
1
提高电池的能量密度
研发新型电池材料和技术，提高电池
加强电池安全措施
2
的能量密度，以满足不断增长的能源 需求。
改进电池结构和管理系统，提高电池
的安全性，预防火灾和爆炸等安全事
故。
3
发展可回收的电池材料
研究和应用可回收的电池材料，减少
对有限资源的依赖，实现可持续发展。
探究新型电池结构
锂离子电池的优势和劣势
优势
1. 高能量密度 2. 长寿命 3. 环保
劣势
1. 成本高 2. 安全性问题
锂离子电池应用领域
1 电子产品领域
锂离子电池广泛应用于手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式设备。
2 电动汽车领域
锂离子电池是电动汽车的主要动力源，具有高能量密度和长续航里程。
3 其他领域
锂离子电池还应用于储能系统、航空航天等领域，为各个行业提供可靠的能源解决方案。
vehicles (EVs). Energy Storage Materials, 2019, 16: 246-266. 3. Goodenough, J. B., et al. Lithium-ion batteries. Journal of the
American Chemical Society, 2019, 141(22): 8829-8832.
《锂离子电池》PPT课件
锂离子电池是一种先进的电池技术，具有高能量密度、长寿命和环保等优势。 本课件将介绍锂离子电池的定义、工作原理、应用领域和未来发展趋势。
锂离子电池的定义和发展历程
定义
锂离子电池是一种以锂离子在正负极材料中嵌入和脱出的化学反应来实现电能转换的装置。
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02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
02正极材料
一、层状结构材料LiCoO2
2、LiCo02/Li组成的纽扣电池
负极电路
负极盖 负极
隔膜
密封圈
02正极材料
二、LiNiO2正极材料
1、LiNiO2的性质
LiNiO2属于三方晶系，Li与Ni隔层分布占据于氧密堆 积所形成的八面体空隙中，因此具有2D层状结构， 充放电过程中该结构稳定性的好坏决定其化学性能 的优劣。层状化合物的稳定性与其晶格能的 大小有 关 。 理 论 比 容 量 为 274mAh/g ， 实 际 可 达 到 180mAh/g以上，远高于LiCoO2，具有价廉、无毒等 优点，不存在过充电现象。
02正极材料
二、LiNiO2正极材料
2、LiNiO2目前存在的问题及解决方法 结果表明，Al掺杂可以起到稳定结构、提高 材料电位和比容量的作用。降低材料合成时对氧 气气氛的依赖程度。为了提高电导率，对材料进行Mg掺杂。使得材料的电导率得到提高， 达到了实用水平。电化学实验表明， 掺杂Mg的材料的工作电压和比容量明显提高，循环性 能得到较大改善。但与实际应用还存在一定差距。
02正极材料
锂离子电池正极材料研究现状 大多数可作为锂离子电池的活性正极材料是含锂的过渡金属化合物，而且以氧化物为主。目前已 用于锂离子电池规模生产的正极材料为LiCoO2。
02正极材料
一、层状结构材料LiCoO2
1、LiCo02的基本性质
LiCoO2,是锂离子电池中一种较好的正极材料，具有工作电压高、放电平稳、比能量高、循环性能 好等优点，适合大电流放电和锂离子的嵌入和脱出，在锂离子电池中得到率先使用。此外，由于 它 较 易 制 备 而 成 为 目 前 唯 一 已 实 用 于 生 产 的 锂 离 子 电 池 正 极 材 料 LiCoO2, 的 实 际 容 量 约 为 140mAh/g,只有理论容量(275mAh/g)的约50%，且在反复的充放电过程中，因锂离子的反复嵌入 和脱出，使活性物质的结构在多次收缩和膨胀后发生改变，导致LiCoO2内阻增大，容量减小。
新能源材料与技术
New Energy Materials& Technology
2020.8
山东师范大学汇报答辩通用模板
弘德明志 博学笃行
目录
CONTENTS
01 绪论 02 锂离子电池材料 03 太阳能电池材料 04 燃料电池材料 05 核能材料
弘德明志 博学笃行
目录
CONTENTS
01 锂离子电池概述 02 正极材料 03 负极材料 04 隔膜材料 05 电解质
02正方法 （2）低温固相合成法 为克服高温固相合成法的缺陷，近年来发展了多种低温合成技术。如将钴、锂的碳酸盐按照化 学计量比充分混合，在己烷中研磨，升温速率控制在50℃ h-1，在空气中加热到400℃ ，保温一 周，形成单相产物。结构分析表明大约有6%的钴存在于锂层中，具有理想层状和尖晶石结构的 中间结构。
弘德明志 博学笃行
02 正极材料
弘德明志 博学笃行
02正极材料
正极材料概述 正极材料是锂离子电池的重要组成部分，在锂离子充放电过程中，不仅要提供正负极嵌锂化合物 往复嵌入/脱嵌所需要的锂，而且还要负担负极材料表面形成SEI膜(solid electrolyte interphase，固 体电解质相界面膜)所需的锂。此外，正极材料在锂离子电池中占有较大比例(正负极材料的质量 比为3:1~4:1)，故正极材料的性能在很大程度上影响着电池的性能，并直接决定着电池的成本。
02正极材料
一、层状结构材料LiCoO2
4、 LiCoO2的制备方法 （1）高温固相合成法
传统的高温固相反应以锂、钴的碳酸盐、硝酸盐、醋酸盐、氧化物或氢氧化物等作为锂源和钴 源，混台压片后在空气中加热到600～900°C甚至更高的温度，保温一定时间。为了获得纯相且 颗粒均匀的产物，需将焙烧和球磨技术结合进行长时间或多阶段加热。高温固相合成法工艺简 单，利于工业化生产。但它存在着以下缺点:(1)反应物难以混合均匀，能耗巨大。(2)产物粒径较 大且粒径范围宽，颗粒形貌不规则，调节产品的形貌特征比 较困难。导致材料的电化学性能不 易控制。
02正极材料
一、层状结构材料LiCoO2
1、LiCo02的基本性质
高温制备的LiCo02具有理想层状的α-NaFe02型结构，属 于六方晶系， 空间群; a=0.282nm,c=1.406nm, 氧原子 以ABCABC方式立方密堆积排列，Li+和Co2+交替占据层间 的八面体位置。 Li+离子在LiCo02中的室温扩散系数在1011~10-12m2/s之间。Li+的扩散活化能与Li1-xCoO2中的x密 切相关。在不同的充放电态下，其扩散系数可以变化几 个数量级。
02正极材料
二、LiNiO2正极材料
2、LiNiO2目前存在的问题及解决方法 存在的问题 (1）制备困难。 (2）结构不稳定，易生成Li1-yNi1+yO2。使得部分Ni位Li层中，降低了Li离子的扩散效率和循环 性能。 主要解决办法 利用Co、A1、Mg等元素掺杂替代，稳定结构，提高电位、比容量和循环性能。改善制备工 艺、降低合成条件。我们对利用Al掺杂替代的LiNi1-xA1x02材料的结构和性质进行了研究。
正极
正极电路
正极壳
02正极材料
一、层状结构材料LiCoO2
3、 LiCoO2目前存在的问题及解决方法 存在的主要问题 （1）实际比容量与理论值275mAh/g有较大差距; (2）资源匮乏，成本高; (3）有环境污染。 主要解决办法 利用Ni、Al等元素掺杂替代，稳定结构，提高电位和比容量，降低成本。
02正极材料
二、LiNiO2正极材料
与LiCoO2相比，LiNiO2因价格便宜且具有高的可逆容 量，被认为最有希望成为第二代商品锂离子电池材 料LiCoO2,按LiCoO2制备工艺合成LiNiO2所得到材料的 电化学性能极差，原因在于LiCoO2属于其晶格参数 为 群，ah=0.29,ch=1.42nm, ch/ah=4.9, 属于六方晶系， 且和立方晶系相应值接近，说明镍离子的互换位置 与LiCoO2相比对晶体结构影响很小。而(3a)(3b)位置 原子的互换，严重影响材料的电化学活性。