锂离子电池材料基础知识PPT课件
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《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
《锂离子电池》课件
指电池在特定条件下可以储存的电量，通常以毫安时（mAh）或安时（Ah）为 单位。
能量密度
表示电池每单位重量或体积所能储存的能量，单位为瓦时每千克（Wh/kg）或瓦 时每升（Wh/L）。
电池的循环寿命与自放电率
循环寿命
指电池在特定充放电条件下能够维持 性能参数的时间，通常以充放电循环 次数来表示。
自放电率
通过掺杂金属离子或进行表面改性 ，可以改善正极材料的电化学性能 和循环稳定性。
负极材料的制备
负极材料的选择
常用的负极材料包括石墨、硅基材料 、钛酸锂等，选择合适的负极材料对 电池性能至关重要。
表面处理与改性
通过表面涂覆、化学处理、物理气相 沉积等方法对负极材料进行改性，以 提高其电化学性能和循环稳定性。
装配工艺流程
电池的装配工艺流程包括正负极片的切割、涂布、碾压、制片、装 配等环节，每个环节都需要严格的质量控制和工艺参数的优化。
电池的性能测试
电池装配完成后需要进行性能测试，如电化学性能测试、安全性能测 试等，以确保电池的质量和可靠性。
04 锂离子电池的性能参数与 测试
电池的容量与能量密度
电池容量
合成方法
负极材料的合成方法与正极类似，也 有多种方法可供选择，如固相法、化 学气相沉积法、电化学沉积法等。
电解液的制备
电解液的组成
锂离子电池电解液主要由 有机溶剂、锂盐和其他添 加剂组成。
电解液的制备方法
电解液的制备方法包括直 接混合法、共沸精馏法、 离子交换法等。
电解液的性能要求
电解液需要具有良好的离 子导电性、化学稳定性、 电化学稳定性以及安全性 等。
表示电池在不使用情况下，电量自行 减少的速度，通常以每月电量减少的 百分比来表示。
能量密度
表示电池每单位重量或体积所能储存的能量，单位为瓦时每千克（Wh/kg）或瓦 时每升（Wh/L）。
电池的循环寿命与自放电率
循环寿命
指电池在特定充放电条件下能够维持 性能参数的时间，通常以充放电循环 次数来表示。
自放电率
通过掺杂金属离子或进行表面改性 ，可以改善正极材料的电化学性能 和循环稳定性。
负极材料的制备
负极材料的选择
常用的负极材料包括石墨、硅基材料 、钛酸锂等，选择合适的负极材料对 电池性能至关重要。
表面处理与改性
通过表面涂覆、化学处理、物理气相 沉积等方法对负极材料进行改性，以 提高其电化学性能和循环稳定性。
装配工艺流程
电池的装配工艺流程包括正负极片的切割、涂布、碾压、制片、装 配等环节，每个环节都需要严格的质量控制和工艺参数的优化。
电池的性能测试
电池装配完成后需要进行性能测试，如电化学性能测试、安全性能测 试等，以确保电池的质量和可靠性。
04 锂离子电池的性能参数与 测试
电池的容量与能量密度
电池容量
合成方法
负极材料的合成方法与正极类似，也 有多种方法可供选择，如固相法、化 学气相沉积法、电化学沉积法等。
电解液的制备
电解液的组成
锂离子电池电解液主要由 有机溶剂、锂盐和其他添 加剂组成。
电解液的制备方法
电解液的制备方法包括直 接混合法、共沸精馏法、 离子交换法等。
电解液的性能要求
电解液需要具有良好的离 子导电性、化学稳定性、 电化学稳定性以及安全性 等。
表示电池在不使用情况下，电量自行 减少的速度，通常以每月电量减少的 百分比来表示。
《锂离子电池介绍》课件
02
锂离子电池的组成
正极材料
01
02
03
04
作用
正极材料是锂离子电池的重要 组成部分，主要负责存储和释
放能量。
常见种类
包括三元材料、钴酸锂、磷酸 铁锂等。
特点
具有较高的能量密度、循环寿 命长、自放电率低等特点。
应用
广泛应用于电动汽车、混合动 力汽车、手机、笔记本电脑等
领域。
负极材料
作用
负极材料是锂离子电池 的另一个重要组成部分 ，主要负责存储锂离子
VS
详细描述
电池组装通常在洁净的环境中进行，以确 保产品质量。组装过程包括将正负极片叠 放在一起，中间夹上隔膜，然后注入电解 液。最后，通过封装形成完整的电池。电 池的封装形式有多种，如圆柱形、扁平型 和棱柱形等。
电池测试
总结词
电池测试是确保电池性能和质量的重要环节 ，包括电性能测试、安全性能测试和循环寿 命测试等。
电极制备
总结词
电极制备是将正负极材料涂布在金属箔上，形成集流体和活 性物质的结构。
详细描述
电极制备过程中，首先将正负极材料与粘结剂混合，制成浆 料。然后，将浆料涂布在金属箔上，经过干燥和碾压，形成 电极片。电极片的质量直接影响电池的电化学性能和生产成 本。
电池组装
总结词
电池组装是将正负极片、隔膜和电解液 等组件组装在一起，形成完整的电池结 构。
回收与环保问题
总结词
锂离子电池回收和环保问题亟待解决
详细描述
锂离子电池中含有有毒有害物质，如钴、镍 等重金属和有机溶剂等。这些物质对环境和 人体健康造成潜在威胁。同时，锂离子电池 回收技术尚不成熟，回收率较低，也给环保
带来压力。
锂离子基础知识PPT课件
锂离子电池——电解液
性质：
无色透明液体，具有较强吸湿性。
应用：
主要用于可充电锂离子电池的电解液，只 能在干燥环境下使用操作（如环境水分小 于20ppm的手套箱内）。
规格：
溶剂组成 DMC:EMC:EC =1:1:1 （重量比）
LiPF6浓度 1mol/l
质量指标：
密度（25℃）g/cm3 1.23±0.03
28
Ｆ 温度特性
电芯低温放电容量大于80%（-20℃ 、0.2C），高温放电容 量大于90%（55 ℃、1C）
60℃ 25℃ -10℃ 0℃ -20℃
29
Ｇ 电池循环性能
1C满充电4.2V，1C放电2.75V，循环300周。
容量(mAh)
383450A锂电芯循环曲线图
1122334455663838383838383800000000000000
电池鼓壳、发热， 不起火、不爆炸。
42
Ｄ 针刺
将电池固定在安全装置的夹具上，用直径2.5mm的钢钉 用力打下，使电池完全穿透。
电池漏液、发热， 不起火、不爆炸。
43
Ｅ 自由跌落
X、Y、Z六个面在1000mm的高度上各跌落2次
编号
1
2
3
4
5
6
7
跌 内 阻 54.1
落
前
电压
4.18
跌 内 阻 55.2
tim e /m in.
a.空白溶液;
4 .8 b
4 .4
4 .0
3 .6
0
100
200
300
400
500
tim e /m in.
b.添加后
38
提高电池安全性的措施：
《锂电池培训资料》PPT课件
z
h
hì)
+
-
ì
)
放电
此时放电控制MOS打开
第四十六页，共76页。
电 压
2.3-2.5V
主流(zhǔliú)硬件保护电路原理图
主题以目前主流硬件保护IC厂家精 工（SEIKO）作为参考(cānkǎo)范例
第四十七页，共76页。
主流(zhǔliú)单节保护原理图
S-8261系列(xìliè)电路
第四十八页，共76页。
消费类电子(diànzǐ)
第十五页，共76页。
消费类电子(diànzǐ)
第十六页，共76页。
高端消费类电子(diànzǐ)
第十七页，共76页。
工业(gōngyè)工具类电子
第十八页，共76页。
新型(xīnxíng)电子产品
第十九页，共76页。
仪器仪表产品(chǎnpǐn)
第二十页，共76页。
目前广受关注的一种新兴锂离子电池材料，其突出特点是安全性非常好，不 会爆炸，循环性能非常优秀可达到2000周，这些特点使其非常适合电动汽车、 电动工具等领域。其标称电压只有3.2-3.3V，因此其保护线路部分也与常用锂离 子电池有所区别，但他的缺点也比较明显，能量密度远低于钴酸锂和三元材料。
第八页，共76页。
智能保护芯片的保护参数可以通过上位机电脑对线路板进行设定编程， 以达到最终想要的保护参数，优点是通用性强，应用范围广，缺点是 价格昂贵，软件操作稍复杂。
第三十六页，共76页。
硬件保护充电 控制 (chōng diàn)
过
过
放 控
充
电
制
控
( k
制
IC
(
量
ò n
《锂离子电池介绍》课件
性能有重要影响。
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
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
锂电池课件ppt
锂电池分类
根据正极材料的不同，锂电池主 要分为钴酸锂电池、三元锂电池 、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池等 。
锂电池的工作原理
充电过程
在充电过程中，锂离子从正极材料中 脱出，通过电解质和隔膜，嵌入负极 材料中。
放电过程
在放电过程中，锂离子从负极材料中 脱出，通过电解质和隔膜，回到正极 材料中。
锂电池的主要部件，锂离子电池用于平 衡电网、稳定电力、提供备用电源 等，提高电力系统的稳定性和可靠 性。
工业储能
在工业领域，锂离子电池用于平衡 电力系统、稳定电力、提供备用电 源等，提高工业生产的稳定性和可 靠性。
PART 04
锂电池的制造工艺
正极材料的制备工艺
原料准备与处理
将原料混合在一起，通过加热、搅拌等手段，合 成电解液。
质量检测与控制
对电解液进行质量检测，确保其具有合适的电化 学性能和稳定性。
电池的组装与检测
电极制备
将正极材料、负极材料、隔膜等组装成电极。
电池组装
将电极与电解质、电池壳等组装在一起，形成完整的电池。
质量检测与控制
对电池进行质量检测，确保其具有合适的电化学性能和安全性。
PART 02
锂电池的性能特点
能量密度与功率密度
能量密度
指电池单位体积或质量所容纳的电量，常以“Wh/cm³”或“Wh/kg”为单位 来衡量。
功率密度
指电池单位质量或体积所能输出的功率，常以“W/cm³”或“W/kg”为单位 来衡量。
循环寿命与自放电率
循环寿命
指电池在经历充放电循环后，能够维持其原有性能和容量的时间。一般来说，锂 离子电池的循环寿命较长，但会随着充放电次数的增加而逐渐衰减。
锂电池在过度充电时可能会发生爆炸或产生有害物质，因此需 避免长时间充电或过夜充电。
根据正极材料的不同，锂电池主 要分为钴酸锂电池、三元锂电池 、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池等 。
锂电池的工作原理
充电过程
在充电过程中，锂离子从正极材料中 脱出，通过电解质和隔膜，嵌入负极 材料中。
放电过程
在放电过程中，锂离子从负极材料中 脱出，通过电解质和隔膜，回到正极 材料中。
锂电池的主要部件，锂离子电池用于平 衡电网、稳定电力、提供备用电源 等，提高电力系统的稳定性和可靠 性。
工业储能
在工业领域，锂离子电池用于平衡 电力系统、稳定电力、提供备用电 源等，提高工业生产的稳定性和可 靠性。
PART 04
锂电池的制造工艺
正极材料的制备工艺
原料准备与处理
将原料混合在一起，通过加热、搅拌等手段，合 成电解液。
质量检测与控制
对电解液进行质量检测，确保其具有合适的电化 学性能和稳定性。
电池的组装与检测
电极制备
将正极材料、负极材料、隔膜等组装成电极。
电池组装
将电极与电解质、电池壳等组装在一起，形成完整的电池。
质量检测与控制
对电池进行质量检测，确保其具有合适的电化学性能和安全性。
PART 02
锂电池的性能特点
能量密度与功率密度
能量密度
指电池单位体积或质量所容纳的电量，常以“Wh/cm³”或“Wh/kg”为单位 来衡量。
功率密度
指电池单位质量或体积所能输出的功率，常以“W/cm³”或“W/kg”为单位 来衡量。
循环寿命与自放电率
循环寿命
指电池在经历充放电循环后，能够维持其原有性能和容量的时间。一般来说，锂 离子电池的循环寿命较长，但会随着充放电次数的增加而逐渐衰减。
锂电池在过度充电时可能会发生爆炸或产生有害物质，因此需 避免长时间充电或过夜充电。
锂离子电池基础知识课件优秀课件
▪ 欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大， 但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。
循环寿命
▪ 电池在完全充电后完全放电，循环进行，直 到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次 数即为该电池之循环寿命
▪ 循环寿命与电池充放电条件有关 ▪ 锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达
方（角）形锂离子电池结构图
绝缘件 安全阀
垫圈 正极极耳
正极帽
盖板
隔膜
圆柱形锂离子电池结构图
密封 圈
绝缘圈
正极极耳 限流开关 隔膜
绝缘垫
软包装锂离子电池结构图
绝缘圈
锂离子电池结构——正极
正极极耳：铝带（约0.1mm厚）
正极基体：铝箔（约0.015mm厚)
作用：提供锂源
正极物质：钴酸锂+导电剂+PVDF
充电
LiCoO2 + C6 =放==电= Li1-xCoO2 + LixC6 放电时发生上述反应的 逆反应。
锂离子电池结构
▪ 正极 活性物质（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2) 导电剂、溶剂、粘合剂、基体
▪ 负极 活性物质（石墨、MCMB) 粘合剂、溶剂、基体
▪ 隔膜（PP+PE） ▪ 电解液（LiPF6 + DMC/ EC/ EMC) ▪ 外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）
300-500次（行业标准），最高可达8001000次。
循环寿命
自放电
▪ 电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放 电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记 为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率
▪ 行业标准锂离子电池月自放电率小于12%， 电池自放电与电池的放置性能有关，其大小 和电池内阻结构和材料性能有关
循环寿命
▪ 电池在完全充电后完全放电，循环进行，直 到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次 数即为该电池之循环寿命
▪ 循环寿命与电池充放电条件有关 ▪ 锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达
方（角）形锂离子电池结构图
绝缘件 安全阀
垫圈 正极极耳
正极帽
盖板
隔膜
圆柱形锂离子电池结构图
密封 圈
绝缘圈
正极极耳 限流开关 隔膜
绝缘垫
软包装锂离子电池结构图
绝缘圈
锂离子电池结构——正极
正极极耳：铝带（约0.1mm厚）
正极基体：铝箔（约0.015mm厚)
作用：提供锂源
正极物质：钴酸锂+导电剂+PVDF
充电
LiCoO2 + C6 =放==电= Li1-xCoO2 + LixC6 放电时发生上述反应的 逆反应。
锂离子电池结构
▪ 正极 活性物质（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2) 导电剂、溶剂、粘合剂、基体
▪ 负极 活性物质（石墨、MCMB) 粘合剂、溶剂、基体
▪ 隔膜（PP+PE） ▪ 电解液（LiPF6 + DMC/ EC/ EMC) ▪ 外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）
300-500次（行业标准），最高可达8001000次。
循环寿命
自放电
▪ 电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放 电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记 为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率
▪ 行业标准锂离子电池月自放电率小于12%， 电池自放电与电池的放置性能有关，其大小 和电池内阻结构和材料性能有关
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掺杂对材料的不利影响：
➢ 比容量降低－非活性元素掺杂 ➢ 倍率特性恶化 ➢ 制备工艺复杂化
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掺杂在不同材料中的应用
1、掺杂在LiCoO2中的应用
➢ Mg－电导与倍率性能的矛盾 ➢ Al－电压的提高 ➢ Mn－倍率特性提高？B－循环性能改善
2、掺杂在LiNiO2中的应用
➢ Co－制备，循环性，第一周效率，热稳定性 ➢ Al－热稳定性与结构稳定性 ➢ Ti与Mg－热稳定性
3
3
Cathode
4
4
几种主要正极材料性能比较
5
5
理论容量的计算（以石墨为例）
• 满充电时：C6Li—GIC 的理论容量为372mAh/g
• LiC6 6C + Li+ + e• 6个C原子能放出1个电子 • 6molC原子能放出1mol电子 • 6molC原子的质量=6*12=72g • 1mol电子电量= 1.60217733*10-19 C *6.0221367*1023 =
• 二维橄榄石结构, 正交晶系 • 结构稳定性与热稳定性高 • 材料成本低 电导率低
– 电子导电性 – 锂离子在LiFePO4/FePO4两相区的扩散
12
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正极材料制备方法
• 高温固相法
＞700 ℃，反应温度高、时间长，产物结构不均一。
• 低温合成法：
400－700 ℃，合成温度低、颗粒尺寸小、粒径分布窄、均一性好。
17
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正极材料的表面修饰
分类：
➢ 电极的表面修饰 ➢ 材料颗粒表面的修饰
表面修饰对材料研究的意义：
➢ 改善材料的电化学循环性能 ➢ 提高材料在高电压下的结构稳定性 ➢ 改善材料的热稳定性
18
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正极材料的表面修饰
改善机理：形成了表面类掺杂，同时改变表面与 体相性质—
无机颗粒表面掺杂
➢ 抑制电解液在材料颗粒表面的氧化分解
2、大容量动力型锂离子电池：需要低成本， 耐过充性与热稳定性高的正极材料，提高 其安全性能
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Anode
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锂电选取负极材料原则
• 负极材料选取原则
– 比能量高； – 相对锂电极的电极电位尽可能低； – 充放电过程的可逆性好； – 良好的表面结构,与电解液形成良好的SEI膜; – 插入/脱嵌过程中,材料结构尺寸和机械稳定性好,确保良好的循环性能; – 插入化合物具有较好的电子电导和离子电导性,减少极化; – 锂离子在材料中有较大的扩散系数,便于快速充放电; – 资源丰富，价格低廉；在空气中稳定、无毒副作用。
3) 锂离子在材料中的化学扩散系数高，具有快 速充放电能力;
4) 在整个锂离子的脱嵌过程中，材料的主体结 构和体积变化小,
8 保证有良好的可逆性;
8
LiCoO2的结构及电化学特征
➢ α-NaFeO2型二维层状结构; ➢ 六方晶系, 氧原子呈立方密堆积; ➢ 约0.55 Li+ 能可逆脱嵌(~140 mAh/g); ➢ 合成工艺简单，电化学性质稳定; ➢ 钴资源相对贫乏,价格较高 相变 电解液氧化分解 晶格失氧
16
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掺杂在不同材料中的应用
3、掺杂在LiMn2O4中的应用
➢ Li－改善循环性
➢ Cr, Co－结构稳定性与高温循环性
➢ Al－结构稳定性与高温循环性
4、掺杂在LiNi1-xCoxO2中的应用
➢ Al－热稳定性与循环稳定性
➢ Mg－循环性
5、掺杂在LiFePO4中的应用
？锂位的掺杂提高材料的电导率
锂离子电池材料基础知识
1
锂离子电池工作原理示意图
2
2
电极材料的结构特征
• 作为二次电池的电极材料, 这些化合物都 涉及到客体(Guest, 如Li+)在主体晶格(Host, 如 的C可、逆Li脱1-xM嵌O性2)能中(的即嵌二入次/电脱池出的量容以量及与主体循 环寿命), 这些性能与主体材料的结构及脱 嵌过程中的结构变化密切相关, 其中最重 要的结构特征就是主体材料要有一定程 度的结构开放性, 能允许外来的原子或离 子易于扩散进入或迁出晶体。
• 氧原子呈立方密堆积排列(32e)
• 三维锂离子扩散通道
• 热稳定性高, 耐过充性好, 放电电压平台高
• Mn资源丰富, 成本低, 合成工艺简单
高温循环与储存性能较差
– Mn的溶解
– 电解液的氧化
– 高电压下两相结构的不稳定
11 – Jahn-Teller 效应(立方 四方)
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பைடு நூலகம்
LiFePO4的结构及电化学特征
➢ 抑制相变
➢ 阻止氧的析出
修饰材料：
➢ 无机氧化物：Al2O3，SnO2，TiO2，ZrO2，ZnO，MgO，
SiO2
➢ 无机盐: Li2CO3，LiCoO2，LiNi0.5Co0.5O2，LiAlO2。
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新一代锂离子电池的发展对正极材料的要求
1、高性能小型锂离子电池：需要高比容量 的正极材料，LiCoO2只有140mAh/g比容量 显然不能够满足其发展要求
• 同理可算Li2CoO2/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2
6
6
内容提要
正极材料的结构及电化学特征; 正极材料的制备及改性方法.
7
7
正极材料应具备的特性
1) 具备低Fermi能级和低锂离子位能，可提供 高的电池电压;
2) 单位质量的材料能允许尽可能多的锂离子进 行可逆脱嵌，
可提供高的电池容量;
✓ 共沉淀法
✓ 溶胶-凝胶法
✓ Pechini法
✓ 喷雾干燥法
✓ 机械化学法
13 ✓ 微波合成法
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正极材料的掺杂与修饰
掺杂对材料研究的意义
➢ 提高结构稳定性 ➢ 提高热稳定 ➢ 改善循环性能 ➢ 开发新材料
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正极材料的掺杂与修饰
掺杂引起材料变化的原因：
➢ 增强的M-O键 ➢ 掺杂元素的活性与非活性 ➢ 掺杂导致的元素价态分布的改变
96485.309C =96485.309/3600Ah =26.80174Ah = 26802mAh (remark:1eV=1.602x10-19库仑x1伏特;阿伏伽 德罗常数 = 6.0221367*1023 ) • 石墨的克容量= 26802mAh/ 72g =372mAh/ g • 实际材料容量280~370mAh/ g
9
LiNiO2的结构及电化学特征
➢α-NaFeO2型二维层状结构; ➢ 六方晶系, 氧原子呈立方密堆积;
➢ 首次充电比容量＞200mAh/g;
Ni2+
Ni+, 难于合成化学计量比产物;
结构稳定性; 安全性较差（电解液氧化分解、热稳定性）
10
10
LiMn2O4的结构及电化学特征
• 立方尖晶石结构
➢ 比容量降低－非活性元素掺杂 ➢ 倍率特性恶化 ➢ 制备工艺复杂化
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掺杂在不同材料中的应用
1、掺杂在LiCoO2中的应用
➢ Mg－电导与倍率性能的矛盾 ➢ Al－电压的提高 ➢ Mn－倍率特性提高？B－循环性能改善
2、掺杂在LiNiO2中的应用
➢ Co－制备，循环性，第一周效率，热稳定性 ➢ Al－热稳定性与结构稳定性 ➢ Ti与Mg－热稳定性
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Cathode
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几种主要正极材料性能比较
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理论容量的计算（以石墨为例）
• 满充电时：C6Li—GIC 的理论容量为372mAh/g
• LiC6 6C + Li+ + e• 6个C原子能放出1个电子 • 6molC原子能放出1mol电子 • 6molC原子的质量=6*12=72g • 1mol电子电量= 1.60217733*10-19 C *6.0221367*1023 =
• 二维橄榄石结构, 正交晶系 • 结构稳定性与热稳定性高 • 材料成本低 电导率低
– 电子导电性 – 锂离子在LiFePO4/FePO4两相区的扩散
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正极材料制备方法
• 高温固相法
＞700 ℃，反应温度高、时间长，产物结构不均一。
• 低温合成法：
400－700 ℃，合成温度低、颗粒尺寸小、粒径分布窄、均一性好。
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正极材料的表面修饰
分类：
➢ 电极的表面修饰 ➢ 材料颗粒表面的修饰
表面修饰对材料研究的意义：
➢ 改善材料的电化学循环性能 ➢ 提高材料在高电压下的结构稳定性 ➢ 改善材料的热稳定性
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正极材料的表面修饰
改善机理：形成了表面类掺杂，同时改变表面与 体相性质—
无机颗粒表面掺杂
➢ 抑制电解液在材料颗粒表面的氧化分解
2、大容量动力型锂离子电池：需要低成本， 耐过充性与热稳定性高的正极材料，提高 其安全性能
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Anode
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锂电选取负极材料原则
• 负极材料选取原则
– 比能量高； – 相对锂电极的电极电位尽可能低； – 充放电过程的可逆性好； – 良好的表面结构,与电解液形成良好的SEI膜; – 插入/脱嵌过程中,材料结构尺寸和机械稳定性好,确保良好的循环性能; – 插入化合物具有较好的电子电导和离子电导性,减少极化; – 锂离子在材料中有较大的扩散系数,便于快速充放电; – 资源丰富，价格低廉；在空气中稳定、无毒副作用。
3) 锂离子在材料中的化学扩散系数高，具有快 速充放电能力;
4) 在整个锂离子的脱嵌过程中，材料的主体结 构和体积变化小,
8 保证有良好的可逆性;
8
LiCoO2的结构及电化学特征
➢ α-NaFeO2型二维层状结构; ➢ 六方晶系, 氧原子呈立方密堆积; ➢ 约0.55 Li+ 能可逆脱嵌(~140 mAh/g); ➢ 合成工艺简单，电化学性质稳定; ➢ 钴资源相对贫乏,价格较高 相变 电解液氧化分解 晶格失氧
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掺杂在不同材料中的应用
3、掺杂在LiMn2O4中的应用
➢ Li－改善循环性
➢ Cr, Co－结构稳定性与高温循环性
➢ Al－结构稳定性与高温循环性
4、掺杂在LiNi1-xCoxO2中的应用
➢ Al－热稳定性与循环稳定性
➢ Mg－循环性
5、掺杂在LiFePO4中的应用
？锂位的掺杂提高材料的电导率
锂离子电池材料基础知识
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锂离子电池工作原理示意图
2
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电极材料的结构特征
• 作为二次电池的电极材料, 这些化合物都 涉及到客体(Guest, 如Li+)在主体晶格(Host, 如 的C可、逆Li脱1-xM嵌O性2)能中(的即嵌二入次/电脱池出的量容以量及与主体循 环寿命), 这些性能与主体材料的结构及脱 嵌过程中的结构变化密切相关, 其中最重 要的结构特征就是主体材料要有一定程 度的结构开放性, 能允许外来的原子或离 子易于扩散进入或迁出晶体。
• 氧原子呈立方密堆积排列(32e)
• 三维锂离子扩散通道
• 热稳定性高, 耐过充性好, 放电电压平台高
• Mn资源丰富, 成本低, 合成工艺简单
高温循环与储存性能较差
– Mn的溶解
– 电解液的氧化
– 高电压下两相结构的不稳定
11 – Jahn-Teller 效应(立方 四方)
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பைடு நூலகம்
LiFePO4的结构及电化学特征
➢ 抑制相变
➢ 阻止氧的析出
修饰材料：
➢ 无机氧化物：Al2O3，SnO2，TiO2，ZrO2，ZnO，MgO，
SiO2
➢ 无机盐: Li2CO3，LiCoO2，LiNi0.5Co0.5O2，LiAlO2。
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新一代锂离子电池的发展对正极材料的要求
1、高性能小型锂离子电池：需要高比容量 的正极材料，LiCoO2只有140mAh/g比容量 显然不能够满足其发展要求
• 同理可算Li2CoO2/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2
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内容提要
正极材料的结构及电化学特征; 正极材料的制备及改性方法.
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正极材料应具备的特性
1) 具备低Fermi能级和低锂离子位能，可提供 高的电池电压;
2) 单位质量的材料能允许尽可能多的锂离子进 行可逆脱嵌，
可提供高的电池容量;
✓ 共沉淀法
✓ 溶胶-凝胶法
✓ Pechini法
✓ 喷雾干燥法
✓ 机械化学法
13 ✓ 微波合成法
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正极材料的掺杂与修饰
掺杂对材料研究的意义
➢ 提高结构稳定性 ➢ 提高热稳定 ➢ 改善循环性能 ➢ 开发新材料
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正极材料的掺杂与修饰
掺杂引起材料变化的原因：
➢ 增强的M-O键 ➢ 掺杂元素的活性与非活性 ➢ 掺杂导致的元素价态分布的改变
96485.309C =96485.309/3600Ah =26.80174Ah = 26802mAh (remark:1eV=1.602x10-19库仑x1伏特;阿伏伽 德罗常数 = 6.0221367*1023 ) • 石墨的克容量= 26802mAh/ 72g =372mAh/ g • 实际材料容量280~370mAh/ g
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LiNiO2的结构及电化学特征
➢α-NaFeO2型二维层状结构; ➢ 六方晶系, 氧原子呈立方密堆积;
➢ 首次充电比容量＞200mAh/g;
Ni2+
Ni+, 难于合成化学计量比产物;
结构稳定性; 安全性较差（电解液氧化分解、热稳定性）
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LiMn2O4的结构及电化学特征
• 立方尖晶石结构