锂离子电池正极材料结构原理详解
【干货】锂离子电池的的原理、配方和工艺流程,正极材料介绍
锂离子电池的的原理、配方和工艺流程，正极材料介绍锂离子电池的的原理、配方和工艺流程锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作。
随着新能源汽车等下游产业不断发展，锂离子电池的生产规模正在不断扩大。
本文以钴酸锂为例，全面讲解锂离子电池的的原理、配方和工艺流程,锂电池的性能与测试、生产注意事项和设计原则。
一，锂离子电池的原理、配方和工艺流程；一、工作原理1、正极构造LiCoO2 + 导电剂 + 粘合剂 (PVDF) + 集流体（铝箔）2、负极构造石墨 + 导电剂 + 增稠剂 (CMC) + 粘结剂 (SBR) + 集流体（铜箔）3、工作原理3.1 充电过程一个电源给电池充电，此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。
正极上发生的反应为：负极上发生的反应为：3.2 电池放电过程放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。
由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。
电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。
3.3 充放电特性电芯正极采用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x个Li离子后，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 >0.5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4.2V那么x小于0.5 ，这时Li1-xCoO2的晶型仍是稳定的。
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。
锂离子电池正极材料 ppt课件
PPT课件
7
二、锂离子电池对正、负极材料的要求
(1) 具有稳定的层状或隧道的晶体结构。
(2) 具有较高的比容量。
(3) 有平稳的电压平台。
(4) 正、负极材料具有高的电位差。
(5) 具有较高的离子和电子扩散系数。
(6) 环境友好。
PPT课件
8
锂电关键技术---正极材料
商品化锂离子电池中正极材料（LiCoO2）的比容量远远小于负 极材料，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的重要因素。
锂离子电池 正极材料
PPT课件
1
一、 锂离子电池回顾
* 锂离子电池工作原理
PPT课件
2
*锂离子电池电极反应
充电
正极反应: LiCoO2
放电
负极反应: 6C+xLi++xe-
Li1-xCoO2+xLi++xe-
充电
放电 LixC6
充电
电池反应: 6C+LiCoO2
放电
PPT课件
Li1-xCoO2+ LixC6
Ni-based
LiNiO2
Co-based
LiCoO2
PO4-based
LiMPO4
主要正极材料
Mn-based
LiMn2O4
容量、稳定性、制备条件
PPT课件
成本、安全、环保
9
三、锂离子电池正极材料
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。PPT课件19
LiNi1yCoyO2的电化学性能与其组成密切相关，Co的 加入能够提高电化学循环稳定性。稳定性的提高； 但是
最新-锂离子电池正极材料与工艺详解(含三元材料)精选全文
八面体间隙
四面体间隙
02.锂离子电池正极材料简介
2.3 LiCoO2（层状） O3较O2，Li离子扩散克服能垒低，CO与Li混排需克服较高的能垒。
O3-LiCoO2结构： O原子为立方密堆积结构（ABCABC……）Li 与Co原子沿C轴方向交替占据八面体位置，且 共边（ α –NaFeO2）,属于六方晶系(三轴等长 ，任意两轴夹角相等)，具有 R3m空间群。
02.锂离子电池正极材料简介
2.3 LiCoO2
大约对应Li0.5CoO2，由于空位有 序化出现，形成扭曲八面体单斜相
恒流充电，当电压达 到4.8V时O3正极几乎所有 的锂离子都能从正极中脱 出，大约80%的锂离子可 以在嵌入正极材料中；可 逆比容量220mA·h·g-1。
图（b）可以看出最 低电压平台O3结构的正极 最高。
（碳酸乙烯脂）
隔膜
在电解液中具有 良好的化学稳定 性及一定的机械
强度
对Ｌi+的移动阻 碍小（内阻）， 对孔径和孔隙率
的要求
良好的绝缘体， 并能阻挡从电极 上脱落物质微利
和枝晶的生长
聚乙烯、聚丙烯等聚 烯烃微孔隔膜
目录
CONTENTS
01 锂离子电池原理简介
02 锂离子电池正极材料简介
03 三元正极材料简介 04 前驱体的制备工艺 05 三元材料成品制备工艺
Li（Nix-Coy-Mnz）O2 ,x+y+z=1
3.2过渡元素对性能的影响
容量-循环性能
随着Ni含量上升，电池比容量上升，循环性能有所下降
03.三元正极材料
2.4 Li（Nix-Coy-Mnz）O2 ,x+y+z=1
3.2过渡元素对性能的影响
锂离子电池三元正极材料ppt
失效机制
容量衰减
明确三元正极材料的失效机制，为优化电池 的循环寿命提供理论支持。
研究三元正极材料在充放电过程中的容量衰 减机制，以为延长电池寿命提供技术支持。
08
参考文献
参考文献
文章标题：锂离子电池三元正极材料的研究进展 作者：张三、李四、王五 发表时间：2020年
THANKS
谢谢您的观看
，可以优化其晶体结构、提高电子导电性和离子扩散系数，进而提高
电池的电化学性能。
02
离子掺杂
通过引入具有特定价态的离子（如Li+、H+、Na+等）对三元正极材
料进行掺杂改性，可以调整其能带结构和电子分布，提高电化学反应
活性和稳定性。
03
共掺杂
将两种或多种元素或离子同时掺入三元正极材料中，实现多元素协同
锂离子电池的工作原理主要涉 及锂离子在正负极之间的迁移 和插入反应。在充电过程中， 锂离子从正极迁移到负极，放
电过程中则相反。
电压与能量
锂离子电池的正负极材料决定 了电池的电压和能量密度。
充放电效率
充放电效率取决于多个因素， 包括电池的化学性质、制造工
艺和使用条件等。
锂离子电池的正极材料
1 2
钴酸锂
三元正极材料是锂离子电池中的关键组成部分，直接影响电 池的性能和安全性。
研究目的和意义
研究三元正极材料的目的是为了提高锂离子电池的能量密 度、寿命和安全性，以满足日益增长的市场需求。
三元正极材料的研究对于推动电动汽车、储能系统等领域 的发展具有重要意义。
02
锂离子电池概述
锂离子电池的工作原理
电极反应
多样化储能需求
随着可再生能源的大规模并网和分布式能源的发展，储能需求多样化，而三元正极材料具 有高能量密度和良好的循环性能，适用于各种储能应用场景。
三元锂电池的结构组成和工作特点
三元锂电池的结构组成和工作特点三元锂电池是目前最常见和应用广泛的一种锂离子电池，它在移动设备、电动车辆和可再生能源等领域有着重要的地位。
在本文中，我们将深入探讨三元锂电池的结构组成以及其工作特点，帮助读者更全面、深刻地理解这种电池技术。
一、结构组成1. 正极材料：三元锂电池的正极采用富锂材料，通常是由锂镍钴锰氧化物（LiNiCoMnO2）构成。
这种材料具有较高的放电容量和较好的循环性能，是三元锂电池性能优越的关键之一。
2. 负极材料：负极材料一般采用石墨或类似材料，用于储存和释放锂离子。
石墨负极具有良好的电导率和稳定性，能够有效嵌入和脱嵌锂离子，以实现充放电循环。
3. 电解液：三元锂电池中的电解液通常是有机溶剂和锂盐的混合物。
这种电解液具有良好的离子传导性，能够促进锂离子在正负极之间的转移。
电解液还需要具备一定的热稳定性，以防止过热导致电池内部失控反应。
4. 隔膜：隔膜是正负极之间的物理隔离层，防止直接接触而引发短路。
常用的隔膜材料包括聚丙烯膜和聚乙烯膜等，它们具有良好的离子传导性和电化学稳定性。
5. 电池壳体：电池壳体一般由金属或塑料制成，为电池提供结构支撑和保护。
电池壳体需要具备一定的强度和耐腐蚀性，以保证电池在使用过程中的安全性和稳定性。
二、工作特点1. 高能量密度：相对于其他类型的锂离子电池，三元锂电池具有较高的能量密度。
其正极材料的组成和结构优化，使其能够储存更多的锂离子，从而提供更长的使用时间和较高的能量输出。
2. 高安全性：三元锂电池在安全性方面表现出色。
其富锂正极材料的结构稳定性较好，不易发生热失控或针尖状穿刺等危险情况。
电解液的配方和隔膜的设计也能提供一定的安全保护，减小火灾和爆炸的风险。
3. 长循环寿命：由于采用了富锂正极材料和优化的电解液配方，三元锂电池具有较长的循环寿命。
它能够经受数百次乃至上千次的充放电循环，保持较高的容量和稳定的性能。
4. 快充性能：三元锂电池具有优异的快充性能，能够在短时间内充电到较高的容量水平。
锂离子电池的构造及原理
锂离子电池的构造及原理锂离子电池是一种能够将化学能转换为电能并用于电子设备的电池。
它的构造及原理相对简单，但这并不影响它成为了现代电子设备的主要能源来源。
本篇文章将会介绍锂离子电池的相关构造及原理，帮助读者更好地了解这种电池。
第一章：锂离子电池简介锂离子电池是一种高效、经济、环保且应用广泛的电池。
它采用了锂离子在正负极之间的迁移来储存化学能，并将其转换为电能。
随着技术的发展，锂离子电池在电动汽车、智能手机、笔记本电脑等领域都得到了广泛应用。
第二章：锂离子电池的构造锂离子电池的构造相对简单，但却是其性能表现的关键。
其主要构成部分包括正极、负极、电解液和隔膜。
2.1 正极锂离子电池的正极一般采用含有锂的金属氧化物，例如锂钴氧化物（LiCoO2）、锂铁磷酸铁（LiFePO4）、锂镍钴铝氧化物（LiNiCoAlO2）等。
这些物质的作用就是在电池放电时，释放出锂离子。
2.2 负极锂离子电池的负极一般采用石墨或者石墨化碳。
这些负极材料的作用就是吸收锂离子。
2.3 电解液电解液是将正负极隔开的一种物质。
一般来说，电解液是由一种或多种溶于有机溶剂中的锂盐组成的。
电解液发挥的作用是维持两种电极之间的电荷平衡。
2.4 隔膜隔膜是将正负极完全隔开的一层材料。
这种材料通常是由聚合物制成的。
隔膜的作用是让正负极在电流的作用下进行迁移，同时确保电池工作时不会短路。
第三章：锂离子电池的工作原理锂离子电池在充电和放电过程中都会发生化学反应。
下面分别介绍其充电和放电原理。
3.1 充电在充电过程中，正极放出锂离子，负极则接收这些离子。
同时，电荷通过电解液传输。
与此同时，充电器也会向电池输送电能，使这些锂离子逆向迁移，到达正极。
3.2 放电在放电过程中，则是相反的反应。
存储在正极的锂离子会流向负极，同时释放出能量。
这些锂离子通过电解液传输，在负极被吸收。
伴随这个过程，锂离子电池的电压下降。
第四章：锂离子电池的优势和不足锂离子电池的优势主要在于其高能量密度、长寿命、较小的自放电率以及易于维护。
锂离子电池正极材料的研究及其性能优化
锂离子电池正极材料的研究及其性能优化随着人们对环保意识的不断提高，电动汽车、能源存储以及便携式电子设备等需求愈发增长，锂离子电池作为一种高能量密度、轻量化、环保的电池类型备受瞩目。
而锂离子电池的性能，尤其是其正极材料的性能，是影响整个电池性能的关键因素。
本文将从锂离子电池正极材料的基础结构入手，通过对正极材料的组成元素以及内部作用机制的探究，分析其性能特点，并结合当前的研究进展，探讨锂离子电池正极材料的性能优化方向。
一、锂离子电池正极材料的基础结构锂离子电池是一种以锂离子在电解液中的扩散为工作原理的电池。
正极材料是锂离子电池中最重要的组成部分之一，其主要作用是存储锂离子和提供电子传导。
正极材料的基础结构一般由三个部分组成：金属氧酸化物、导电剂和粘结剂。
其中，金属氧酸化物是正极材料的主要成分，占正极材料的大部分重量，其在电池中起到存储锂离子的作用。
导电剂主要是为了提高正极材料的导电性，增加正极材料对锂离子的传导和储存能力，减小电极极化和电池内阻。
而粘结剂则是为了保证正极材料的结构牢固稳定，能够经受反复的充放电循环。
二、锂离子电池正极材料的组成元素及其作用机制1. 金属氧酸化物目前市场上主要使用的锂离子电池正极材料主要有三种金属氧酸化物：三元材料（如LiCoO2、LiMn2O4等）、锰酸锂材料（如LiMnO2）和钴酸锂材料（如LiFePO4）。
三元材料是较早研究和应用的正极材料之一，其磷酸根结构稳定，特别是在高温下稳定性好，同时其储能能力和功率密度优秀。
但是其中的钴含量高，钴资源稀缺，同时钴价格昂贵，因此其成本较高。
锰酸锂材料具有环保、价格低廉和锂离子传输速度快等优点，同时其钠离子掺杂还可提高其稳定性和循环寿命。
但是锰酸锂材料的能量密度较低，且容量随循环次数的增加而逐渐减小。
钴酸锂材料被认为是一种具有高安全性、优异的循环性能以及适合大电流放电的正极材料。
该材料的选择主要基于其晶体结构的稳定性和高的电子导电率。
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LiNiO2
❖ 合成条件比较苛刻
❖ 比容量较高。其理论容量为275mAh/g，实 际容量可达190～210 mAh/g，其价格比 LiCoO2低廉，但
❖ 循环稳定性差、热稳定性差。
❖ 安全性较差。循环会分解产生氧气，造成锂 离子电池过充电时易发生爆炸、燃烧，因此 尚未大量应用。
尖晶石锰酸锂（ LiMn2O4 ）
锂离子电池组成简介
基本正极材料
❖LiCoO2 (占80-90%) ❖LiMn2O4 (已进入市场) ❖LiNiO2 (循环稳定性差, 掺杂才能使用) ❖LiMnO2 (循环稳定性差,单独不能使用)
正极材料应满足以下条件
性能优良的正极材料应满足以下条件：
❖ (1)材料为层状或隧道式开放结构，有较高的电极电 位，且在锂离子嵌/脱的过程中电极电位变化较小
尖晶石锰酸锂（ LiMn2O4 ）照片
尖晶石锰酸锂（ LiMn2O4 ）照片
层状锰酸锂（LiMnO2)
(1)原材料来源丰富、成本低、无污染等优点。 (2)比容量高
理论容量为285 mAh/g，接近LiMn2O4理论容 量的两倍 (3)结构稳定性差﹑高温性能和循环性能差。 在循环中容易转变为类尖晶石结构，因此须 通过体相掺杂以增强结构的稳定性，才能作 为锂离子动力电池正极材料。
LiCoO2照片
LiCoO2的合成方法
❖ 合成方法有高温固相法、溶胶-凝胶法等。
❖Co原料: Co3O4 、CoCO3 、 Co[CO3]1x(OH)2x (碱式碳酸盐) 等 Li原料: Li2CO3 、 Li(OH)2
❖ 在高温下固相合成,反应式为:
Li2CO3 +2CoCO3 +1/2O2 =2 LiCoO2 + 3CO2↑
几种蓄电池性能比较
电池体系
铅酸 蓄电池
电池电压 (V)
2.2
体积能量密度 (瓦时/升)
130
质量能量密度 (瓦时/公斤)
40
循环寿命 (次) 250(100)
自放电率 (%/月)
15
环境影响
铅和酸污染
镉-镍 蓄电池
1.20 125
镍-金属氢 化物蓄电
池
锂离子 电池
1.20
3.60
165
350-450
内容
1 锂离子电池基本知识简介 2 正极材料新发展 3 锂离子电池的发展
1 锂离子电池基本知识简介
特点 工作原理 组成--正、负极材料；电解液；隔膜 锂离子电池材料性能的优化
1.1 锂离子电池主要特点
❖ 工作电压高 ❖ 比容量高 ❖ 能量密度高，开发潜力大 ❖ 循环寿命长，安全性好 ❖ 无公害，无记忆效应 ❖ 自放电率低 ❖ 工作温度范围宽
❖ 成本低、合成容易：每吨4-5万元，接近铅酸蓄电池价格。 ❖ 比容量较低。理论容量为148mAh/g，实际容量110～
120mAh/g。 ❖ 锂离子的扩散系数较小。要比在层状化合物中小2～3个数量
级（约为10-11～10-14cm2/s），使得电池的充放电电流受到 限制，影响其倍率特性。 ❖ 高温循环性能较差。尤其是在高温条件下循环时（55℃）， 衰减较快，原因： ①Jahn-Teller扭曲效应； ②LiMn2O4的溶解； ③电解液的分解。
Discharge
LiCoO2 正极
Li+ Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
Li+
O层 Co层
O层
O层 Co层
O层 O层 Co层 O层 O层 Co层 O层 O层 Co层 O层
多孔隔膜
Al箔
电化学反应方程式
(+) LiMO2 ↔ Li1-xMO2 + x e + x Li (-) x Li+ + x e + nC ↔ LixCn 电池反应: LiMO2 + nC ↔ LixCn 式中M=Co，Ni，Mn等。
❖ (2)可逆嵌/脱的锂离子的量应尽可能多，以使电池 具有较高的比容量
❖ (3)在材料的内部和表面，锂离子具有较高的扩散速 度，以使电池具有较好的充放电特性
❖ (4)具有较高的结构稳定性、化学稳定性和热稳定性 ❖ (5)价格低廉、无毒、容易制备
锂离子电池基本正极材料性能
材料名称
LiCoO2
理论比容 量
40
80
150-200
500(200) 500(200) 1200(500)
15 镉污染
20
6-10
稀土金属 污染
较少污染
1.2 锂离子电池工作原理与组成
基本构造
正极材料 负极材料 隔膜 电解液
工作原理
碳材料 负 极
Cu箔
电解液
Charge
Li+ Li+
Li+ Li+
Li+
Li+ Li+
Li+
性好高温循环和存放性能较差
1
高比容量，不易制备，
循环性差
比容量较高，成本低，
1
资源丰富。导电性差
LiCoO2
α-NaFeO2型层状 LiCoO2化合物的 结构示意图
…O-Li-O-Co-OLi-O… 三角平面构 成 …ABCABC … 堆积。
LiCoO2
❖ 制备容易 ❖ 比容量较高。放电容量140 mAh/g ❖ 循环性能较好。500-1200次 ❖ 成本高。金属钴90万元/吨
LiCoO2粒度分布对电性能的影响
平均粒径 (D50/µm)
粒度分布 (µm)
首次放电容 第三次放电 量(mAh/g) 容量(mAh/g)
5.19
3~8
146.4
146.1
8.62
4~13
142.5
134.7
10.90
5~15
142.8
115.6
14.25
8~20
133.8
114.0
LiCoO2照片
合成温度
（1）200℃以上CoCO3开始分解生成Co3O4、 Co2O3，300℃时其主体仍为Co3O4，在高于 此温度时，钴的氧化物与Li2CO3进行固相反 应生成LiCoO2。
（2）在650℃以上的高温下产物粒度明显增大， 原因是Li2O-Li2CO3的低温共熔体或碳酸盐熔 融增加了合成产物的烧结度，从而使粒度增 大。但低于900℃时很难得到纯的LiCoO2相。
mAh/g 274
LiNiO2
275
LiMn2O4
148
LiMnO2
285
LiFePO4
170
实际比容量
mAh/g 130~140
170~210
100~120
150-200 140-150
价格比
特性
3
性能稳定,体积比能量高，
放电平台平稳，价格贵
2
高比容量，不易制备，热稳定差，
储存性能差、价格较低
1
低成本，比容量较低，易制备，安全
负极材料
金属锂 : 会产生锂枝晶，刺破隔膜导致短路、 漏液甚至发生爆炸 炭负极材料：石墨，MCMB 石墨 石墨与某些溶剂的相容性差，石墨层易 剥落，导致嵌锂性能下降 MCMB（中间相炭微球 ） 非炭负极材料 锂过渡金属氮化物、过渡金 属氧化物和合金材料