锂离子电池的详细介绍
高中化学选修4人教版复习：4.2锂离子电池的详细介绍
6.能量密度表示方法有两种，一为体积能量密度(Wh/l)，另一 为重量能量密度(Wh/kg)，用以表示单位体积或单位重量能取出的 能量。电池的能量密度越大，那么在同能量的情况下电池的尺寸/ 质量越小。
Li+变少
Li+的移动方向为从LixC6 Li+
放电时：
负极
Li1-xCoO2
正极
负极 LixC6 - xe- = xLi++ C6
正极 Li1-xCoO2 + xe- + xLi+ = LiCoO2
充电时： 正变阳，负变阴
充电时：
阴极 xLi+ + xe- + C6 = LixC6 阳极 LiCoO2 - xe- = Li1-xCoO2 + xLi+
锂离子电池工作原理图
schematic representation and operation principle of rechargeable
lithium ion battery
解题方法： 根据Li+的移动方向
钴酸锂电池放电
Li+变多
原电池正向正，负向负 电解池阳向阴，阴向阳
Li1-xCoO2 + LixC6 = LiCoO2 + C6 (x<1)。
目前锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的理 论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有 160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。根据木 桶理论，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料，所 以当前能够达到的能量密度水平大约在100~200Wh/kg，这 一数值还是比较低的，在许多场合都成为锂离子电池应用 的瓶颈。这一问题同样出现在电动汽车领域，在体积和重 量都受到严格限制的情况下，电池的能量密度决定了电动 汽车的单次最大行驶里程，于是出现了“里程焦虑症”这 一特有的名词。如果要使得电动汽车的单次行驶里程达到 500公里(与传统燃油车相当)，电池单体的能量密度必须达 到300Wh/kg以上。
锂电池的基本知识
各种锂离子电池的性能如表 7 所示。
表 7(a)型号中的 6 位数字，前两位为高度尺寸，中间两位为宽度尺寸，后两 位为长度尺寸(mm)。例如 LIS063048，其高为 6.7mm，宽为 29.9mm，长度为 48 mm。
表 7(b)型号的四位数字中，前两位为直径，后两位为带一位小数点的高度尺 寸。例如 LIR2025，它的直径为 20mm，高度为 2.5mm。 锂离子电池保护元件及保护电路
锂电池的最大特点是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或 单位体积的能量。比能量用 Wh/kg 或 Wh/L 来表示。Wh 是能量的单位，W 是瓦、 h 是小时；kg 是千克(重量单位)，L 是升(体积单位)。这里举一个例来说明：5 号 镍镉电池的额定电压为 1.2V，其容量为 800mAh，则其能量为 0.96Wh(1.2V×0.8 Ah)。同样尺寸的 5 号锂－二氧化锰电池的额定电压为 3V，其容量为 1200mAh， 则其能量为 3.6Wh。这两种电池的体积是相同的，则锂－二氧化锰电池的比能量 是镍镉电池的 3.75 倍!
2. 锂离子电池(Li-Ion)
锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池，它根据不同的电子产品的要求可 以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，并且有由几个电池串联在一起组成 的电池组。
锂离子电池工作原理
锂离子电池工作原理锂离子电池是一种广泛应用于挪移电子设备、电动车辆和储能系统中的高性能电池。
它具有高能量密度、长寿命、轻量化等优点，因此备受关注。
本文将详细介绍锂离子电池的工作原理。
1. 电池结构锂离子电池由正极、负极、电解质和隔膜组成。
正极材料通常使用锂金属氧化物，如锂钴酸锂（LiCoO2）、锂镍酸锂（LiNiO2）和锂铁酸锂（LiFePO4）。
负极材料通常使用石墨。
电解质是一种离子导体，可以使锂离子在正负极之间传输。
隔膜用于隔离正负极，防止短路。
2. 充放电过程锂离子电池的充放电过程是通过锂离子在正负极之间的迁移来实现的。
在充电过程中，外部电源提供电流，正极材料中的锂离子被氧化，释放出电子，电子通过外部电路流回负极，与负极材料中的锂离子发生还原反应，形成锂金属。
在放电过程中，负极材料中的锂金属被氧化，释放出电子，电子通过外部电路流到正极，与正极材料中的锂离子发生还原反应，形成锂金属氧化物。
3. 离子迁移机制锂离子在正负极之间的迁移是通过电解质中的离子导体实现的。
在充电过程中，锂离子从正极材料中脱嵌，通过电解质中的离子导体迁移到负极材料中嵌入。
在放电过程中，锂离子从负极材料中脱嵌，通过电解质中的离子导体迁移到正极材料中嵌入。
这个过程是可逆的，可以反复进行。
4. 反应方程式锂离子电池的充放电反应可以用以下方程式表示：充电：正极材料（LiCoO2）+ C6 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-负极材料（石墨）+ xLi+ + xe- → Li1-xC6放电：正极材料（Li1-xCoO2）+ xLi+ + xe- → LiCoO2 + C6负极材料（Li1-xC6）+ xLi+ + xe- → C6其中，LiCoO2代表锂钴酸锂，C6代表石墨，x代表锂离子插入或者脱出的比例。
5. 安全性锂离子电池在使用过程中需要注意安全问题。
由于锂离子电池中的电解质通常是有机溶剂，当电池受到外部撞击、过热或者过充时，有可能引起热失控和燃烧。
锂电池使用说明书
锂电池使用说明书一、引言锂电池是一种常见的电池类型，广泛用于移动设备、电动车辆和储能系统等领域。
本使用说明书将详细介绍锂电池的正确使用方法、注意事项和安全操作规范，以确保用户正常、安全地使用锂电池，并最大程度地延长其使用寿命。
二、锂电池概述1. 类型：锂电池主要分为锂离子电池（Li-ion）和聚合物锂离子电池（Li-polymer）两种常见类型。
前者具有高能量密度和较长的使用寿命，后者则具有更小的尺寸和更高的安全性能。
2. 电压：锂电池的标准电压一般为3.7伏（V），但实际使用中，电压可能会在充放电过程中有所波动。
3. 容量：锂电池的容量一般以毫安时（mAh）为单位。
容量越大，电池存储的电能越多，使用时间也相应延长。
三、使用方法1. 充电：使用专用的锂电池充电器进行充电，确保使用正确的充电电压和电流。
避免使用不兼容、低质量的充电器，以免引发充电事故。
2. 放电：在使用锂电池时，请避免将电池放空至完全放电状态，以免损害电池性能。
适当提前进行充电，避免电池电量过低而无法正常工作。
3. 储存：长时间不使用锂电池时，请将电池储存在干燥、阴凉的环境中，并保持电池电量处于50%左右的状态。
避免高温环境和过度放电，以防止锂电池损坏。
四、注意事项1. 温度：锂电池对温度非常敏感。
请避免将锂电池暴露在极端的高温或低温环境中，以免影响电池性能和安全性能。
2. 碰撞：请避免对锂电池进行剧烈碰撞或挤压，以免导致电池损坏、电池液泄漏或短路，并可能引发火灾或爆炸等危险。
3. 液体接触：请避免将锂电池浸入液体中，如水或其他溶液，以防止电池短路、电池液泄漏或发生火灾等意外情况。
锂离子电池的基本原理
锂离子电池的基本原理导言：锂离子电池是一种常见的可充电电池，广泛应用于电子设备、电动车辆等领域。
它的基本原理是通过锂离子在正负极之间的迁移来实现电能的转化和储存。
本文将详细介绍锂离子电池的基本原理及其工作过程。
一、锂离子电池的构造锂离子电池由正极、负极、电解质和隔膜组成。
正极通常由氧化物材料如钴酸锂构成，负极则是由石墨等材料制成。
电解质一般采用有机溶剂和锂盐的混合物，而隔膜则起到隔离正负极的作用。
二、锂离子电池的充放电过程1. 充电过程在锂离子电池充电时，外部电源向电池施加正向电压，正极开始释放锂离子。
这些锂离子在电解液中通过离子传输，穿过隔膜，然后插入负极材料中。
同时，负极材料中的锂离子被氧化成锂离子。
2. 放电过程当锂离子电池放电时，正极材料中的锂离子被氧化成钴离子，同时负极材料中的锂离子从负极材料中释放出来。
这些锂离子通过隔膜传导到正极材料中，与钴离子发生还原反应，形成锂离子。
三、锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理基于正极和负极材料中锂离子的嵌入和脱嵌过程。
在充电过程中，锂离子从正极材料中嵌入负极材料中，负极材料发生还原反应。
而在放电过程中，锂离子从负极材料中脱嵌，并通过电解液传输到正极材料中，正极材料发生氧化反应。
四、锂离子电池的优势和应用1. 优势锂离子电池具有体积小、重量轻、能量密度高等优势。
相比其他类型电池，锂离子电池的能量密度更高，可使电子设备更轻薄，电动车辆续航里程更长。
2. 应用锂离子电池广泛应用于移动电子设备，如手机、平板电脑等。
此外，电动车辆、无人机、储能系统等领域也大量采用锂离子电池。
五、锂离子电池的发展趋势随着科技的不断进步，锂离子电池的研发也在不断推进。
目前，研究人员正在寻求更高能量密度、更长循环寿命和更安全稳定的锂离子电池材料。
同时，固态电解质、锂金属负极等新技术也被广泛研究，以提升锂离子电池的性能。
结论：锂离子电池的基本原理是通过锂离子在正负极之间的迁移来实现电能的转化和储存。
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)
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。
锂离子电池的种类
锂离子电池的种类锂离子电池是一种常见的可充电电池，广泛应用于移动电子设备、电动汽车等领域。
根据不同的材料组成和工作原理，可以将锂离子电池分为多种类型。
本文将就锂离子电池的种类进行详细介绍。
一、锰酸锂电池锰酸锂电池是锂离子电池中最早被商业化应用的类型之一。
它的正极材料是锰酸锂（LiMn2O4），负极则是石墨。
锰酸锂电池具有较高的能量密度和较低的成本，但充放电循环次数较少，容量衰减较快。
因此，锰酸锂电池主要应用于一次性使用的电子产品，如手机、笔记本电脑等。
二、钴酸锂电池钴酸锂电池的正极材料是钴酸锂（LiCoO2），负极材料仍然是石墨。
钴酸锂电池具有较高的能量密度和较好的循环寿命，因此被广泛应用于移动电子设备。
然而，钴酸锂电池的成本较高，且钴资源有限，存在一定的环境问题。
因此，近年来人们开始研究开发其他类型的锂离子电池。
三、磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池的正极材料是磷酸铁锂（LiFePO4），负极材料仍然是石墨。
磷酸铁锂电池具有较高的安全性、较长的循环寿命和较低的成本，成为一种备受关注的锂离子电池类型。
磷酸铁锂电池广泛应用于电动汽车、储能系统等领域。
四、三元材料电池三元材料电池的正极材料是镍钴锰酸锂（LiNiCoMnO2），负极材料仍然是石墨。
三元材料电池兼具了钴酸锂电池和锰酸锂电池的优点，具有较高的能量密度和较好的循环寿命。
三元材料电池被广泛应用于电动汽车领域，成为动力电池的主流技术。
五、硅基锂离子电池硅基锂离子电池是一种新型的锂离子电池类型。
传统的锂离子电池负极材料是石墨，而硅基锂离子电池的负极材料是硅。
由于硅具有较高的储锂容量，硅基锂离子电池具有更高的能量密度和更长的续航里程。
然而，硅材料的膨胀性和容量衰减等问题也给硅基锂离子电池的研发带来了一定的挑战。
锂离子电池的种类多种多样，每种类型都有其独特的优势和应用领域。
随着科技进步和需求的不断变化，人们对锂离子电池的研发和改进也在持续进行，相信未来会有更多新型的锂离子电池问世，为各个领域的电子设备和交通工具提供更可靠、更高效的能源解决方案。
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早期的锂电池 锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以 在介绍之前，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。这种电池也可以充电,但循环性能不好，在充 放电循环过程中,容易形成锂结晶，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。
3.1996年，提出离子液体电解质材料应用于 M. Armand 染料敏化太阳能电池。
4.提出了碳包覆解决磷酸铁锂（LiFePO4）正 极材料的导电性问题，为动力电池及电动汽 车的产业化奠定了基础。
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锂离子电池的商品化
1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨这种锂离子 电池，该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料替代金属 锂作为负极，克服了锂二次电池循环寿命低、安全性差的 缺点，锂离子电池得以商品化。标志着电池工业的一次革 命。
[1] Michel Armand, Philippe Touzain. Graphite intercalation compounds as cathode materials. Materials Science and Engineering. Volume 31,1977,319-329 [2] Armand M B．PhD thesis ， Grenoble，1978 [3] Armand M B．Materials for Advanced Battery New York： Plenum，1980．145
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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。
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在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→ 负极→正极的运动状态。这就像一把摇椅，摇椅的两端为 电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。人们把这 种电化学储能体系形象地称为“摇椅式电池” （Rocking-chair Cell）。
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Armand教授是锂离子电池的奠基人之 一，是国际学术和产业界公认的、在电池领 域具有原始创新成果的电池专家。Armand教 授主要原创性学术贡献有： 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。 2.1978年，首次提出了高分子固体电解质应 用于锂电池。
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摇椅式电池
20世纪80年代初，M.B.Armond首次提出用嵌锂化合物代替二次锂电池中 金属锂负极的构想。在新的系统中，正极和负极材料均采用锂离子嵌入/脱嵌 材料。 当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电 解液运动到负极。负极的炭材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂 离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。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。
锂离子电池
一次电池
镍铬电池
镍氢电池
化学电池
二次电池
铅酸电池 燃料电池 太阳能电池 锂离子电池
电池
物理电池
双层电气电容 热电池 酶解电池
生物电池
微生物电池
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锂电池 (Lithium Battery, 简写成LB)
锂一次电池 (又称锂原电 池, Primary LB)
锂二次电池 (又称锂可充 电电池， Rechargeable LB)源自循环100次形成的锂枝晶图
[1] Whittingham M S．U．S．Patent 4009052．1977 [2] Whittingham M S．Science，1975，192：1226
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1941 年出生，于牛津大学 BA (1964), MA (1967), 和 DrPhil(1968) 学位，目前就职于宾汉姆顿大学。Dr. Whittingham 是发明嵌入式锂 离子电池重要人物，在与Exxon公司合作制成首个锂电池之后，他又 发现水热合成法能够用于电极材料的制备，这种方法目前被拥有磷酸 铁锂专利的独家使用权的Phostech公司所使用。 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。
Manley Stanley Whittingham
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锂离子电池的产生
20世纪80年代末，日本Sony公司
提出者
层状结构的石墨 负极
正极
锂与过渡金属的 复合氧化物
锂离子电池
120-150Wh/kg 比能量 是普通镍镉电池 的2-3倍
电压
高达3.6V
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锂离子电池区别于锂电池
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锂一次电池发展史
当前
Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、 Li-SO2、Li-Ag2CrO4等
多种材料应用于锂一次电池
70年代 60年代的能源危机
20世纪50年代
手表、计算器、植入式医疗设备
锂一次电池商品化 锂一次电池大发展 开始锂一次电池的研究
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锂二次电池的产生