锂离子电池概况
合集下载
一、锂离子电池简介
作为军用电池，除其环境适应性有苛刻的要求外，还要有尽可能 简单地进行后勤补给。锂离子电池及其向前发展的产品在军事应用方 面具有无可比拟的优越性。
图2 全球锂电池产值增长趋势（来源于IIT）
二、锂离子电池正极材料
锂离子电池的输入输出性能主要取决于电池内部材料的结构和 性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。 其中正负极材料的选择和质量直接决定了电化学体系特性与电池性 能。因此高性能、高安全的正负极材料的研究一直是锂离子电池行业 发展的重点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。正极 材料是锂电池中最为关键的原材料，它决定了电池的安全性能和电池
Saft的锂离子电池包括NCA正极和磷酸铁锂正极两个系列。其NCA 电池开始于1990年代后期，与其它锂离子电池正极材料相比，NCA具 有能量密度上的优势。其高温电池（NCA正极）能够在＞100℃的环境 下反复使用200次以上，125℃浮充、脉冲放电条件下使用1个月，主 要用于石油钻井和其他高温环境。
能否大型化，应该说是锂离子电池正极材料的发展引领了锂离子电池 的发展。
衡量锂离子电池正极材料的好坏，主要从以下几个方面进行评估： (1)正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输 出电压； (2)正极材料的可逆放电比容量与材料堆积密度，以获得电池的 高容量； (3)在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材料的结构稳定性，以保证 电池良好的循环性能； (4)正极材料应有较高的电导率，以满足电池的快速充放电需求； (5)电池使用安全与抗滥用性能； (6)价格便宜，对环境无污染。 目前正在使用和开发的锂电池正极材料中，以过渡金属氧化物所 表现出的性能最佳，主要有：层状盐结构的钴酸锂、镍钴酸锂、镍锰 钴三元材料，尖晶石型的锰酸锂，橄榄石型的磷酸铁锂等。中国目前 正极材料主要包括钴酸锂、三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂。钴酸锂依 然是国内小型锂电领域正极材料的主力，三元材料和锰酸锂主要在小 型锂电中应用，在电动自行车和电动工具中也有部分使用；磷酸铁锂 目前主要使用在电动工具和电动汽车领域。下面将几种常见的正极材 料的主要特点介绍如下： 1、钴酸锂 LiCoO2 钴酸锂属于α-NaFeO2型层状岩盐结构，由于具有生产工艺简单和 电化学性能稳定等优势，最先实现商品化。钴酸锂具有放电电压高、 充放电电压平稳、比能量高等优点，在小型消费品电池领域中具有重 要应用。 钴酸锂正极材料的缺点：价格昂贵，钴资源短缺，有放射性，不 利于环保；电池正极实际利用比容量仅为其理论容量的274mAh/g的50% 左右；钴酸锂的循环寿命较低，一般只有500次左右；钴酸锂的抗过 充电性能较差，轻微过充即可引起电池循环寿命迅速降低，不适合用 于电池组；剧烈过充可能发生锂枝晶短路、引起安全事故。 2、三元材料NMC 近几年来，多元过渡金属复合型层状正极材料发展迅速，尤其是 含有钴镍锰三种元素的复合氧化物材料，可用通式表示为
图2 全球锂电池产值增长趋势（来源于IIT）
二、锂离子电池正极材料
锂离子电池的输入输出性能主要取决于电池内部材料的结构和 性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。 其中正负极材料的选择和质量直接决定了电化学体系特性与电池性 能。因此高性能、高安全的正负极材料的研究一直是锂离子电池行业 发展的重点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。正极 材料是锂电池中最为关键的原材料，它决定了电池的安全性能和电池
Saft的锂离子电池包括NCA正极和磷酸铁锂正极两个系列。其NCA 电池开始于1990年代后期，与其它锂离子电池正极材料相比，NCA具 有能量密度上的优势。其高温电池（NCA正极）能够在＞100℃的环境 下反复使用200次以上，125℃浮充、脉冲放电条件下使用1个月，主 要用于石油钻井和其他高温环境。
能否大型化，应该说是锂离子电池正极材料的发展引领了锂离子电池 的发展。
衡量锂离子电池正极材料的好坏，主要从以下几个方面进行评估： (1)正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输 出电压； (2)正极材料的可逆放电比容量与材料堆积密度，以获得电池的 高容量； (3)在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材料的结构稳定性，以保证 电池良好的循环性能； (4)正极材料应有较高的电导率，以满足电池的快速充放电需求； (5)电池使用安全与抗滥用性能； (6)价格便宜，对环境无污染。 目前正在使用和开发的锂电池正极材料中，以过渡金属氧化物所 表现出的性能最佳，主要有：层状盐结构的钴酸锂、镍钴酸锂、镍锰 钴三元材料，尖晶石型的锰酸锂，橄榄石型的磷酸铁锂等。中国目前 正极材料主要包括钴酸锂、三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂。钴酸锂依 然是国内小型锂电领域正极材料的主力，三元材料和锰酸锂主要在小 型锂电中应用，在电动自行车和电动工具中也有部分使用；磷酸铁锂 目前主要使用在电动工具和电动汽车领域。下面将几种常见的正极材 料的主要特点介绍如下： 1、钴酸锂 LiCoO2 钴酸锂属于α-NaFeO2型层状岩盐结构，由于具有生产工艺简单和 电化学性能稳定等优势，最先实现商品化。钴酸锂具有放电电压高、 充放电电压平稳、比能量高等优点，在小型消费品电池领域中具有重 要应用。 钴酸锂正极材料的缺点：价格昂贵，钴资源短缺，有放射性，不 利于环保；电池正极实际利用比容量仅为其理论容量的274mAh/g的50% 左右；钴酸锂的循环寿命较低，一般只有500次左右；钴酸锂的抗过 充电性能较差，轻微过充即可引起电池循环寿命迅速降低，不适合用 于电池组；剧烈过充可能发生锂枝晶短路、引起安全事故。 2、三元材料NMC 近几年来，多元过渡金属复合型层状正极材料发展迅速，尤其是 含有钴镍锰三种元素的复合氧化物材料，可用通式表示为
锂离子电池概述
• 目前锂离子电池的负极一般采用石墨或其他碳材料，正极为氧化钴锂等过渡 金属氧化物。石墨和氧化钴锂都具有层状结构，在特定电压下锂离子能够嵌 入或脱出这种层状结构，而材料结构不会发生不可逆变化。充电时，正极中 的锂原子电离成锂离子和电子。锂离子在外加电场作用下，在电解液中由正 极迁移到负极，还原成锂原子，插入到负极石墨的层状结构中。放电时，锂 原子在负极表面电离离子和电子，分别通过电解液和负载流向正极，在正极 重新复合成锂原子然后插入到正极的氧化钴锂的层状结构中。
1.1 正极配方
1. 正负极配方
正极主要包括：LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流 体（铝箔） 正极引线
LiCoO2(10μm):93.5% 其它：6.5% 如Super-P:4.0% PVDF761:2.5% NMP（增加粘结性）:固体物质的重量比约为810:1496 a) 正极黏度控制6000cps(温度25转子3)； b) NMP重量须适当调节，达到黏度要求为宜； c) 特别注意温度湿度对黏度的影响
• 2.络合物法：用有机络合物先制备含锂离子和钴或钒离子的络合物前驱体，
再烧结制备。该方法的优点是分子规模混合，材料均匀性和性能稳定性好， 正极材料电容量比固相法高，国外已试验用作锂离子电池的工业化方法，技 术并未成熟，国内目前还鲜有报道。
• 3.溶胶凝胶法：利用上世纪70年代发展起来的制备超微粒子的方法，制备正极
材料，该方法具备了络合物法的优点，而且制备出的电极材料电容量有较大的提高， 属于正在国内外迅速发展的一种方法。缺点是成本较高，技术还属于开发阶段。
•
正极材料：制备方法介绍
• 4. 共沉淀法：一般用于制备多元的层状结构正极材料。选择合适的沉淀
1.1 正极配方
1. 正负极配方
正极主要包括：LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流 体（铝箔） 正极引线
LiCoO2(10μm):93.5% 其它：6.5% 如Super-P:4.0% PVDF761:2.5% NMP（增加粘结性）:固体物质的重量比约为810:1496 a) 正极黏度控制6000cps(温度25转子3)； b) NMP重量须适当调节，达到黏度要求为宜； c) 特别注意温度湿度对黏度的影响
• 2.络合物法：用有机络合物先制备含锂离子和钴或钒离子的络合物前驱体，
再烧结制备。该方法的优点是分子规模混合，材料均匀性和性能稳定性好， 正极材料电容量比固相法高，国外已试验用作锂离子电池的工业化方法，技 术并未成熟，国内目前还鲜有报道。
• 3.溶胶凝胶法：利用上世纪70年代发展起来的制备超微粒子的方法，制备正极
材料，该方法具备了络合物法的优点，而且制备出的电极材料电容量有较大的提高， 属于正在国内外迅速发展的一种方法。缺点是成本较高，技术还属于开发阶段。
•
正极材料：制备方法介绍
• 4. 共沉淀法：一般用于制备多元的层状结构正极材料。选择合适的沉淀
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。
《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。
锂离子电池介绍
、涂布以及后续的注液、化成、分容工艺基本一致，主要区别在于极片的分 切和电芯组装工艺； • 例如圆柱状的18650电芯和小型软包装电芯就采用的绕卷工艺，而用于动力电 池的大容量软包装锂离子电池则采用叠片工艺。
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)
汇报完毕 感谢您的聆听
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)
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)
汇报完毕 感谢您的聆听
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)
锂离子电池简介
1.锂离子电池哪一年商业化？锂离子电池首次由日本Sony公司在1990年研制成功并实现商业化。
2.锂离子电池工作原理。
以炭为负极，钴酸锂（LiCoO2）为正极为例。
充电过程中，锂离子从正极脱出，释放一个电子，三价钴氧化成四价钴，锂离子通过电解质嵌入负极，维持电荷平衡；放电过程中，电子从负极流经外部电路到达正极，在电池内部，锂离子通过电解液嵌入到正极，正极得到外电路一个电子，四价钴还原成三价钴。
3.锂离子电池的组成。
锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液和外包装组成。
其中，正极、负极、隔膜和电解液是锂离子电池的四大主材。
4.锂离子电池正极材料的作用。
锂离子电池正极材料不仅作为电极材料参与电化学反应，还要作为锂离子源。
5.锂离子电池正极材料应该满足哪些条件？①比容量大，这就要求正极材料具有低的相对分子质量，且其宿主结构中能插入大量锂离子；②工作电压高，这就要求体系放电反应的吉布斯自由能负值要大；③高倍率下的充放电性能好，这就要求锂离子在正极材料内部和表面的扩散速率大；④循环寿命长，这就要求锂离子脱出和嵌入正极材料的过程中，正极材料的结构变化要尽可能小；⑤安全性好，这就要求材料具有较高的化学稳定性和热稳定性；⑥容易制备，对环境友好，价格便宜。
6.锂离子电池正极材料有哪些？锂离子电池正极材料一般为含锂的过渡金属氧化物或聚阴离子化合物，包括LiCoO2、LiMnO2、LiFeO4及其相关衍生材料。
含锂的过渡金属氧化物作为锂离子电池正极材料的优势。
过渡金属往往具有多种价态，可以保持锂离子嵌入和脱出过程中的电中性；另外，过渡金属氧化物对锂有较高的电极电势，可以保证电池具有较高的开路电压。
一般来说，对锂电势，过渡金属氧化物＞过渡金属硫化物；3d过渡金属氧化物＞4d过渡金属氧化物＞5d过渡金属氧化物。
3d过渡金属氧化物中，尤其以含Co、Ni、Mn元素的锂金属氧化物为主。
7.锂离子电池负极材料应该满足哪些条件？①低氧化还原电位，以满足锂离子电池具有较高的输出电压；②锂离子脱嵌过程中的电极电位变化较小，以保证充放电的电压波动小；③脱嵌锂离子过程中的结构稳定性和化学稳定性好，以使电池具有较高的循环寿命和安全性；④具有高的可逆比容量；⑤良好的锂离子导电性和电子导电性，以获得较高的充放电倍率和低温充放电性能。
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。
锂离子基础知识
优缺点分析
成本高
目前锂离子电池的制造成本相对较高，尤其是高性能电池。
安全问题
若使用不当或电池内部出现异常，锂离子电池可能发生热失控、 燃烧甚至爆炸等安全问题。
对高温敏感
高温环境下，锂离子特性
常见锂离子类型介绍
锂离子电池
锂离子电池是一种充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。根据电池 正极材料的不同，锂离子电池可分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂等类型。
结构组成及工作原理
结构组成
锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳等组成。其中，正极材 料通常为钴酸锂、三元材料或磷酸铁锂等；负极材料为石墨或硅基材料等；隔膜 用于隔离正负极，防止短路；电解液为有机溶剂和锂盐的混合物。
工作原理
在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，通过电解液和隔膜，嵌入到负极材料 中。放电时则相反，锂离子从负极脱出，通过电解液和隔膜，嵌入到正极材料中 。同时，电子通过外电路从负极流向正极，形成电流。
表示。
充电倍率
描述电池充电快慢的性能参数 ，即充电电流与电池容量的比 值。
放电倍率
描述电池放电快慢的性能参数 ，即放电电流与电池容量的比 值。
循环寿命
表示电池可重复充放电的次数 ，是评估电池使用寿命的重要
指标。
04
安全问题及防护措施
安全隐患剖析
热失控
锂离子电池在过热条件下可能引发热失控，导致电池燃烧或爆炸。
优缺点分析
高能量密度
锂离子电池具有较高的能量密度，使得电池在相同重量或体 积下具有更高的储能能力。
无记忆效应
锂离子电池不具有镍镉电池的记忆效应，因此可以随时进行 充放电。
优缺点分析
长寿命
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
锂离子电池概况
锂离子电池的问世
20世纪 世纪60-70年代 世纪 年代
石油危机！！ 石油危机！！
锂离子电池的工作原理
充电 Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li 放电 Li 负极（石墨） 放电 正极 负极 总反应 Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li
• 缺点
三元复合材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 三元复合材料
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有单一的α–NaFeO2型层状岩盐结构，空间 具有单一的α 型层状岩盐结构， 点群为R-3m。a=0.4904nm，c=1.3884nm。 点群为 。 ， 。
锂离子占据岩盐结构的3a位 过渡金属离子占据 位 锂离子占据岩盐结构的 位，过渡金属离子占据3b位，氧离子占 锰的化合价分别为+2、 、 价 据6c位，其中镍、钴、锰的化合价分别为 、+3、+4价。 位 其中镍、
• 优点
锂离子从LiCoO2中可逆脱嵌量最多为 单元， Li1中可逆脱嵌量最多为0.5单元 单元， 锂离子从 xCoO2在x=0.5时，发生可逆相变，从三方对称性转变为 在 时 发生可逆相变， 单斜对称性。 单斜对称性。0<x<0.5，理论容量在 ，理论容量在156mAh/g. LiCoO2循环性能较优越 LiCoO2经长期循环后，从层状结构转变为立方尖晶石 经长期循环后， 经长期循环后 结构，特别是表面的粒子。 结构，特别是表面的粒子。
评估锂离子电池正极材料的标准： 评估锂离子电池正极材料的标准： 较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压； 较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压； 锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌， 锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容量 。 结构变化尽可能小，以保证电池良好的循环性能。 结构变化尽可能小，以保证电池良好的循环性能。 氧化还原电位变化小，以保证电池平稳的充电和放电。 氧化还原电位变化小，以保证电池平稳的充电和放电。 较高的电导率，能使电池大电流的充电和放电。 较高的电导率，能使电池大电流的充电和放电。 不与电解质等发生化学反应。 不与电解质等发生化学反应。 锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电。 锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电。 价格便宜，对环境无污染。易合成，便于产业化。 价格便宜，对环境无污染。易合成，便于产业化。
产 值 亿 台 币 /
800 600 400 200 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 1400 1200 1000
年份
14
产 值 亿 只 /
12 10 8 6 4 2 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
氧化镍锂 LiNiO2
Ni资源丰富，价格便宜。 资源丰富，价格便宜。 资源丰富 LiNiO2实际容量可达 实际容量可达190~210mAh/g，明显高于 ， LiCoO2. 当Li1-xNiO2中x<0.5时，能保持结构的完整性 时 无污染， 无污染，和多种电解液有良好的相容性
• 优点
LiNiO2制备困难，要求富氧气氛，工艺条件要求高 制备困难，要求富氧气氛， 结构稳定性不佳， 结构稳定性不佳，当x>0.5时，充放电过程中的不可逆 时 相变， 相变，严重制约其性能和使用寿命 热稳定性差， 热稳定性差，易产生安全问题 改性主要采用溶胶-凝胶法，加入掺杂元素和进行包覆。 改性主要采用溶胶 凝胶法，加入掺杂元素和进行包覆。 凝胶法
混合动力汽车
越来越广泛的应 用于生产生活
军事 其他 航空航天
Thank you for your attention！ ！
Ni、Mn的复合，得到高的比容量，更稳定的结构和良好的热力 、 的复合， 的复合 得到高的比容量， 学稳定性以及更好的循环性能。 的加入改善合成条件 的加入改善合成条件， 学稳定性以及更好的循环性能。Co的加入改善合成条件，增加了 电导率和热力学稳定性。 电导率和热力学稳定性。
磷酸亚铁锂 LiFePO4
在负极中，当锂插入到石墨结构后，石墨结构与此同时得到一个电子。 在负极中，当锂插入到石墨结构后，石墨结构与此同时得到一个电子。 电子位于石墨的墨片分子平面上，与锂离子之间发生一定的静电作用， 电子位于石墨的墨片分子平面上，与锂离子之间发生一定的静电作用， 因此，锂在负极中的原子大小比正极中的要大。 因此，锂在负极中的原子大小比正极中的要大。
锂离子电池的发展
年份 电池组成的发展 负极 正极 放过电的正极 (LiCoO2、LiNiO2) 锰的氧化物 (LixMn2O4) 尖晶石氧化锰锂 (LiMn2O4) 体系
的嵌入物 20世纪 Li的嵌入物 (LiWO2) 世纪 80年代 Li的碳化物 (LiC12) (焦炭 年代 焦炭) 的碳化物 焦炭 1990 1994 1995 1997 1998 2000 2002 锡的氧化物 新型合金 纳米氧化物负极 Li的碳化物 (LiC12) (石墨 的碳化物 石墨) 石墨 无定形碳
锂离子电池的缺点
成本高，主要是正极材料 的价格高， 成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格高，随着正极技术 的不断发展，采用LiMn2O4、LiFePO4等为正极材料，有望大 等为正极材料， 的不断发展，采用 、 等为正极材料 大降低成本； 大降低成本； 必须有特殊的保护电路，以防过充过放； 必须有特殊的保护电路，以防过充过放； 与普通电池的相容性差，一般要在用 节普通电池 节普通电池（ 与普通电池的相容性差，一般要在用3节普通电池（3.6V） ） 的情况下才能用锂离子电池替代 同优点相比，这些缺点不成为主要问题， 同优点相比，这些缺点不成为主要问题，特别是用于一些高 科技、高附加值的产品中， 科技、高附加值的产品中，故应用范围非常广泛
• 缺点
氧化锰锂 LiMn2O4
Mn资源丰富，价格比Ni更便宜，无毒，无污染小。 资源丰富，价格比 更便宜 无毒，无污染小。 更便宜， 资源丰富
• 优点
尖晶石结构，四方对称性。 尖晶石结构，四方对称性。 两个电压平台： 和 。前者对应锂从四面体8a位 两个电压平台：4V和3V。前者对应锂从四面体 位 置发生脱嵌，此时能保持尖晶石结构的立方对称性。 置发生脱嵌，此时能保持尖晶石结构的立方对称性。
正极（层状复合氧化物）
LiCoO2
充电
Li1-xCoO2+xLi++xe放电 充电
6C+xLi++xe放电
LixC6
LiCo#43;LixC6
锂离子电池的工作原理
在正极中（ 为例）， ），Li 在正极中（以LiCiO2为例）， +和Co3+各自位于立方紧密堆积氧层中交 替的八面体位置。 替的八面体位置。 充电时， 从八面体位置发生脱嵌，释放一个电子， 氧化为Co 充电时， Li+从八面体位置发生脱嵌，释放一个电子， Co3+氧化为 4+。 放电时， 嵌入到八面体位置，得到一个电子， 还原为Co 放电时， Li+嵌入到八面体位置，得到一个电子， Co4+还原为 3+。
Li/LE/LiCoO2 C/Le/LiCoO2 C/LE/LiMn2O4 日本开始锂离子电池的 大规模投产 我国企业开始正式研制
氧化镍锂 橄榄石型LiFePO4 橄榄石型
我国生产出锂离子电池 实用型LiFePO4 实用型 C//电解质 电解质//LiFePO4 电解质
全球锂离子电池产值和产量的发展趋势
• 缺点
钴的自然资源有限，价格昂贵。降低氧化钴锂的成本， 钴的自然资源有限，价格昂贵。降低氧化钴锂的成本， 提高在较高温度(<65 °C )下的循环性能和增加可逆容量也 提高在较高温度 下的循环性能和增加可逆容量也 是目前研究方向之一。 是目前研究方向之一。 采用的方法主要有掺杂和包覆。 采用的方法主要有掺杂和包覆。
• 缺点
几种主要正极材料的电化学性能参数
正极材料 密度/g cm-3 理论比容量(mAh g-1) 实际比容量(mAh g-1) 工作电压 (V) 安全性能 成本 LiCoO2 5.1 274 140 ~3.6 一般 高 LiNiO2 4.85 274 190－210 ~3.5V 差 居中 LiMn2O4 4.31 148 90－120 ~3.8V 好 低 LiFePO4 3.6 170 110-165 ~3.5V 很好 低
3V时的反应对应于锂嵌入到空的八面体 时的反应对应于锂嵌入到空的八面体16c位置，此时存在 位置， 时的反应对应于锂嵌入到空的八面体 位置 立方体LiMn2O4和四面体 和四面体Li2Mn2O4之间的相转变。 之间的相转变。 立方体 和四面体 之间的相转变 Mn氧化态的变化导致杨 泰勒效应，结构破坏，容量衰减。 氧化态的变化导致杨-泰勒效应 结构破坏，容量衰减。 氧化态的变化导致杨 泰勒效应， LiNiO2制备困难，要求富氧气氛，工艺条件要求高 制备困难，要求富氧气氛， 电导率较低， 电导率较低，也有待提高 改性主要掺杂阳离子和阴离子、表面处理、溶胶 凝胶法合成 凝胶法合成。 改性主要掺杂阳离子和阴离子、表面处理、溶胶-凝胶法合成。
锂离子电池的优点
能量密度高， 能量密度高，输出功率大 平均输出电压高（ ），为 电池的3倍 平均输出电压高（约3.6V），为Ni-Cd、Ni-MH电池的 倍 ）， 、 电池的 自放电小，不到 自放电小，不到Ni-Cd、Ni-MH电池的一半 、 电池的一半 没有Ni-Cd、Ni-MH电池一样的记忆效应 、 没有 电池一样的记忆效应 可快速充放电， 可快速充放电，充放电效率高 工作温度范围宽 -30~+45 °C ，无需维修 对环境较为“友好” 称为绿色电池， 对环境较为“友好”，称为绿色电池，使用寿命长
锂离子电池的问世
20世纪 世纪60-70年代 世纪 年代
石油危机！！ 石油危机！！
锂离子电池的工作原理
充电 Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li 放电 Li 负极（石墨） 放电 正极 负极 总反应 Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li Li
• 缺点
三元复合材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 三元复合材料
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有单一的α–NaFeO2型层状岩盐结构，空间 具有单一的α 型层状岩盐结构， 点群为R-3m。a=0.4904nm，c=1.3884nm。 点群为 。 ， 。
锂离子占据岩盐结构的3a位 过渡金属离子占据 位 锂离子占据岩盐结构的 位，过渡金属离子占据3b位，氧离子占 锰的化合价分别为+2、 、 价 据6c位，其中镍、钴、锰的化合价分别为 、+3、+4价。 位 其中镍、
• 优点
锂离子从LiCoO2中可逆脱嵌量最多为 单元， Li1中可逆脱嵌量最多为0.5单元 单元， 锂离子从 xCoO2在x=0.5时，发生可逆相变，从三方对称性转变为 在 时 发生可逆相变， 单斜对称性。 单斜对称性。0<x<0.5，理论容量在 ，理论容量在156mAh/g. LiCoO2循环性能较优越 LiCoO2经长期循环后，从层状结构转变为立方尖晶石 经长期循环后， 经长期循环后 结构，特别是表面的粒子。 结构，特别是表面的粒子。
评估锂离子电池正极材料的标准： 评估锂离子电池正极材料的标准： 较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压； 较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压； 锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌， 锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容量 。 结构变化尽可能小，以保证电池良好的循环性能。 结构变化尽可能小，以保证电池良好的循环性能。 氧化还原电位变化小，以保证电池平稳的充电和放电。 氧化还原电位变化小，以保证电池平稳的充电和放电。 较高的电导率，能使电池大电流的充电和放电。 较高的电导率，能使电池大电流的充电和放电。 不与电解质等发生化学反应。 不与电解质等发生化学反应。 锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电。 锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电。 价格便宜，对环境无污染。易合成，便于产业化。 价格便宜，对环境无污染。易合成，便于产业化。
产 值 亿 台 币 /
800 600 400 200 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 1400 1200 1000
年份
14
产 值 亿 只 /
12 10 8 6 4 2 0 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
氧化镍锂 LiNiO2
Ni资源丰富，价格便宜。 资源丰富，价格便宜。 资源丰富 LiNiO2实际容量可达 实际容量可达190~210mAh/g，明显高于 ， LiCoO2. 当Li1-xNiO2中x<0.5时，能保持结构的完整性 时 无污染， 无污染，和多种电解液有良好的相容性
• 优点
LiNiO2制备困难，要求富氧气氛，工艺条件要求高 制备困难，要求富氧气氛， 结构稳定性不佳， 结构稳定性不佳，当x>0.5时，充放电过程中的不可逆 时 相变， 相变，严重制约其性能和使用寿命 热稳定性差， 热稳定性差，易产生安全问题 改性主要采用溶胶-凝胶法，加入掺杂元素和进行包覆。 改性主要采用溶胶 凝胶法，加入掺杂元素和进行包覆。 凝胶法
混合动力汽车
越来越广泛的应 用于生产生活
军事 其他 航空航天
Thank you for your attention！ ！
Ni、Mn的复合，得到高的比容量，更稳定的结构和良好的热力 、 的复合， 的复合 得到高的比容量， 学稳定性以及更好的循环性能。 的加入改善合成条件 的加入改善合成条件， 学稳定性以及更好的循环性能。Co的加入改善合成条件，增加了 电导率和热力学稳定性。 电导率和热力学稳定性。
磷酸亚铁锂 LiFePO4
在负极中，当锂插入到石墨结构后，石墨结构与此同时得到一个电子。 在负极中，当锂插入到石墨结构后，石墨结构与此同时得到一个电子。 电子位于石墨的墨片分子平面上，与锂离子之间发生一定的静电作用， 电子位于石墨的墨片分子平面上，与锂离子之间发生一定的静电作用， 因此，锂在负极中的原子大小比正极中的要大。 因此，锂在负极中的原子大小比正极中的要大。
锂离子电池的发展
年份 电池组成的发展 负极 正极 放过电的正极 (LiCoO2、LiNiO2) 锰的氧化物 (LixMn2O4) 尖晶石氧化锰锂 (LiMn2O4) 体系
的嵌入物 20世纪 Li的嵌入物 (LiWO2) 世纪 80年代 Li的碳化物 (LiC12) (焦炭 年代 焦炭) 的碳化物 焦炭 1990 1994 1995 1997 1998 2000 2002 锡的氧化物 新型合金 纳米氧化物负极 Li的碳化物 (LiC12) (石墨 的碳化物 石墨) 石墨 无定形碳
锂离子电池的缺点
成本高，主要是正极材料 的价格高， 成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格高，随着正极技术 的不断发展，采用LiMn2O4、LiFePO4等为正极材料，有望大 等为正极材料， 的不断发展，采用 、 等为正极材料 大降低成本； 大降低成本； 必须有特殊的保护电路，以防过充过放； 必须有特殊的保护电路，以防过充过放； 与普通电池的相容性差，一般要在用 节普通电池 节普通电池（ 与普通电池的相容性差，一般要在用3节普通电池（3.6V） ） 的情况下才能用锂离子电池替代 同优点相比，这些缺点不成为主要问题， 同优点相比，这些缺点不成为主要问题，特别是用于一些高 科技、高附加值的产品中， 科技、高附加值的产品中，故应用范围非常广泛
• 缺点
氧化锰锂 LiMn2O4
Mn资源丰富，价格比Ni更便宜，无毒，无污染小。 资源丰富，价格比 更便宜 无毒，无污染小。 更便宜， 资源丰富
• 优点
尖晶石结构，四方对称性。 尖晶石结构，四方对称性。 两个电压平台： 和 。前者对应锂从四面体8a位 两个电压平台：4V和3V。前者对应锂从四面体 位 置发生脱嵌，此时能保持尖晶石结构的立方对称性。 置发生脱嵌，此时能保持尖晶石结构的立方对称性。
正极（层状复合氧化物）
LiCoO2
充电
Li1-xCoO2+xLi++xe放电 充电
6C+xLi++xe放电
LixC6
LiCo#43;LixC6
锂离子电池的工作原理
在正极中（ 为例）， ），Li 在正极中（以LiCiO2为例）， +和Co3+各自位于立方紧密堆积氧层中交 替的八面体位置。 替的八面体位置。 充电时， 从八面体位置发生脱嵌，释放一个电子， 氧化为Co 充电时， Li+从八面体位置发生脱嵌，释放一个电子， Co3+氧化为 4+。 放电时， 嵌入到八面体位置，得到一个电子， 还原为Co 放电时， Li+嵌入到八面体位置，得到一个电子， Co4+还原为 3+。
Li/LE/LiCoO2 C/Le/LiCoO2 C/LE/LiMn2O4 日本开始锂离子电池的 大规模投产 我国企业开始正式研制
氧化镍锂 橄榄石型LiFePO4 橄榄石型
我国生产出锂离子电池 实用型LiFePO4 实用型 C//电解质 电解质//LiFePO4 电解质
全球锂离子电池产值和产量的发展趋势
• 缺点
钴的自然资源有限，价格昂贵。降低氧化钴锂的成本， 钴的自然资源有限，价格昂贵。降低氧化钴锂的成本， 提高在较高温度(<65 °C )下的循环性能和增加可逆容量也 提高在较高温度 下的循环性能和增加可逆容量也 是目前研究方向之一。 是目前研究方向之一。 采用的方法主要有掺杂和包覆。 采用的方法主要有掺杂和包覆。
• 缺点
几种主要正极材料的电化学性能参数
正极材料 密度/g cm-3 理论比容量(mAh g-1) 实际比容量(mAh g-1) 工作电压 (V) 安全性能 成本 LiCoO2 5.1 274 140 ~3.6 一般 高 LiNiO2 4.85 274 190－210 ~3.5V 差 居中 LiMn2O4 4.31 148 90－120 ~3.8V 好 低 LiFePO4 3.6 170 110-165 ~3.5V 很好 低
3V时的反应对应于锂嵌入到空的八面体 时的反应对应于锂嵌入到空的八面体16c位置，此时存在 位置， 时的反应对应于锂嵌入到空的八面体 位置 立方体LiMn2O4和四面体 和四面体Li2Mn2O4之间的相转变。 之间的相转变。 立方体 和四面体 之间的相转变 Mn氧化态的变化导致杨 泰勒效应，结构破坏，容量衰减。 氧化态的变化导致杨-泰勒效应 结构破坏，容量衰减。 氧化态的变化导致杨 泰勒效应， LiNiO2制备困难，要求富氧气氛，工艺条件要求高 制备困难，要求富氧气氛， 电导率较低， 电导率较低，也有待提高 改性主要掺杂阳离子和阴离子、表面处理、溶胶 凝胶法合成 凝胶法合成。 改性主要掺杂阳离子和阴离子、表面处理、溶胶-凝胶法合成。
锂离子电池的优点
能量密度高， 能量密度高，输出功率大 平均输出电压高（ ），为 电池的3倍 平均输出电压高（约3.6V），为Ni-Cd、Ni-MH电池的 倍 ）， 、 电池的 自放电小，不到 自放电小，不到Ni-Cd、Ni-MH电池的一半 、 电池的一半 没有Ni-Cd、Ni-MH电池一样的记忆效应 、 没有 电池一样的记忆效应 可快速充放电， 可快速充放电，充放电效率高 工作温度范围宽 -30~+45 °C ，无需维修 对环境较为“友好” 称为绿色电池， 对环境较为“友好”，称为绿色电池，使用寿命长