锂电池电极材料简介

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锂离子电池的主要组成部分

锂离子电池的主要组成部分锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜组成，此外电池内还包括粘结剂、导电炭黑、集流体、极耳、封装材料等组成部分。

各主要组分有以下特点：（1）能可逆脱嵌锂的活性材料为正负极；正极一般是氧化还原电位较高的过渡金属氧化物（LiMO2：M是Mn、Co、Ni中的一种或几种），负极是氧化还原电位较低的可嵌锂脱锂的活性材料，如石墨、Si、Sn合金等；（2）电解液为锂电池正负极之间的传输媒介，一般为溶有锂盐的碳酸酯类有机溶剂，锂盐主要有LiPF6、LiClO4等；（3）隔膜是具有一定孔隙率且电子绝缘的微孔薄膜，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），隔膜的主要作用是分离电池正负极，避免正负极接触而发生短路，当电池内部由于短路温度升高到超过隔膜耐受温度时，常用的 PP/PE 会融化，封闭孔隙以阻止Li+通过，防止电池燃烧爆炸。

1锂离子电池正极材料锂离子电池的正极材料是二次锂电池的重要组成部分，它不仅作为电极材料参与电化学反应，还要作为锂离子源。

在设计和选取锂离子电池正极材料时，要综合考虑比能量、循环性能、安全性、成本及其对环境的影响。

理想的锂离子电池正极材料应该满足以下条件：①比容量大：要求正极材料有低的相对分子质量，且其宿主结构中能插入大量的Li+；②工作电压高：要求体系放电反应的Gibbs自由能负值要大；③充放电的高倍率性能好：要求电极材料内部和表面具有较高的扩散速率；④安全性能好：要求材料具有较高的化学稳定性和热稳定性；⑤容易制备，对环境友好，价格便宜。

锂离子电池正极材料一般为含锂的过渡金属氧化物和聚阴离子化合物。

因为过渡金属往往有多种价态，可以保持锂离子嵌入和脱出过程的电中性；另嵌锂化合物具有相对于锂的较高的电动势，可以保证电池具有开路电压。

一般来说相对于锂的电势，过渡金属氧化物大于过渡金属硫化物。

在过渡金属氧化物中，相对于锂的电势顺序为：3d 过度金属氧化物>4d过度金属氧化物>5d过度金属氧化物；而在3d过度金属氧化物中，尤以含Co、Ni、Mn元素的锂金属氧化物为主。

磷酸铁锂概况

磷酸铁锂概况1.1 磷酸铁锂的基本概况磷酸铁锂英文名：LITHIUM IRON PHOSPHATE CARBON COATED；简称LFP；分子式：LiFePO4；分子量：157.76；CAS：15365-14-7；磷酸铁锂（分子式LiFePO4，简称LFP），是锂离子电池的一种正极材料，其特点是原料价格低廉丰富，工作电压适中、电容量大、高放电功率、可快速充电且循环寿命长、稳定性高，自90年代被发现后，成为了引发了锂电池革命的新材料，是当前电池发展领域的前沿。

磷酸铁锂电极材料主要用于各种锂离子电池。

采用磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料的电池被称为磷酸铁锂电池，由于磷酸铁锂电池的众多优点，被广泛使用于各个领域。

目前全球已经有很多厂家开始了工业化生产磷酸铁锂，国外加拿大Phostech Lithium公司、美国Valence（威能）公司和A123（高博），国内天津斯特兰，北大先行等。

世界各国正竞相实现产业化生产。

目前，国内的磷酸铁锂产业投资热正在兴起，其势头超过了其他任何国家。

1.2 磷酸铁锂性能特点锂离子电池的性能主要取决于正负极材料，磷酸铁锂作为锂电池正极材料其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。

1C充放循环寿命达2000次。

单节电池过充电压30V不燃烧，穿刺不爆炸。

磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易串联使用。

以满足电动车频繁充放电的需要。

具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜，寿命长等优点，是新一代锂离子电池的理想正极材料。

磷酸铁锂优势性能主要有：1、比容量大，高效率输出，高能量密度。

磷酸铁锂标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C；理论比容量为170mAh/g，产品实际比容量可超过140 mAh/g（0.2C，25℃）；2、结构稳定、安全性能好。

磷酸铁锂是目前最安全的锂离子电池正极材料；不含任何对人体有害的重金属元素；即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好。

硅碳负极电芯

硅碳负极电芯一、硅碳负极电芯的简介硅碳负极电芯是一种新型的锂电池负极材料，它结合了硅和碳两种材料的优点，具有高能量密度、高循环寿命、低成本等特性。

硅碳负极电芯的工作原理是将锂离子通过电化学反应嵌入了硅碳复合材料中，从而储存和释放能量。

二、硅碳负极电芯的优点1.高能量密度：硅碳负极电芯的能量密度比传统的石墨负极材料更高，能够提供更长的续航里程。

2.高循环寿命：硅碳负极材料具有更高的锂离子嵌入和脱出能力，可承受更多的充放电循环次数，延长电池寿命。

3.低成本：硅碳负极材料的制造成本相对较低，有助于降低整个电池系统的成本。

4.快速充电：硅碳负极电芯允许更高的充电电流，能够实现更快的充电速度。

5.环境友好：硅碳负极电芯不含对环境有害的元素，符合绿色能源的发展趋势。

三、硅碳负极电芯的制造工艺硅碳负极电芯的制造工艺主要包括以下几个步骤：1.原材料准备：根据配方比例准备适量的硅、碳、粘结剂等原材料。

2.混合搅拌：将原材料放入混合搅拌机中，加入适量的溶剂，混合搅拌均匀。

3.制备电极：将混合物均匀涂布在导电基材上，经过干燥、碾压等工艺制成电极片。

4.组装电芯：将多片电极片组装进电池壳中，注入电解液，封装完成。

5.性能检测：对制作完成的硅碳负极电芯进行性能检测，如充放电测试、循环寿命测试等。

四、硅碳负极电芯的应用领域由于硅碳负极电芯具有高能量密度、长循环寿命等优点，因此广泛应用于以下领域：1.电动汽车：硅碳负极电芯能够提供更长的续航里程，满足电动汽车的行驶需求。

2.混合动力汽车：硅碳负极电芯能够辅助发动机工作，提高整车的燃油经济性。

3.可穿戴设备：硅碳负极电芯体积小、重量轻，适用于穿戴式设备等小型电子产品。

4.无人机：硅碳负极电芯的高能量密度和长循环寿命适用于无人机的动力系统。

5.储能系统：在家庭、工业和电力系统等领域，硅碳负极电芯可用于储能设备的制造。

五、硅碳负极电芯的发展趋势随着能源技术的不断发展和人们对环保要求的提高，硅碳负极电芯作为一种高性能的锂电池负极材料，未来的发展趋势主要包括以下几个方面：1.性能优化：通过改进制造工艺和配方，提高硅碳负极电芯的能量密度、循环寿命和安全性等性能指标。

LFP(磷酸铁锂)材料基本介绍

1%
1.6% 2.4%
长度：1700mm；厚度：0.025mm mm mm 835 0.010 mm mm
（1）正极浆料固含量53%，粘度3500mPa.s；（2）正极片涂覆参数：120g/m2（单面）；（3）正极片辊压参数：2.00g/ml（最大值2.4g/ml）；
Exp.久兆磷酸铁锂实际表现极片涂覆情况
锂电池比较
公司产品介绍
统计项目比表面积振实密度 D10 D50 D90 1C放电 1C放电效率北大020 18-22m2/g >1.2g/cm3 ≥0.5um 1.5~3.0um ≤10um 134mAh/g ≥75% 北大 300 18.48 1.32 1.28 2.37 6.69 143 90.6% P-1 18.97 1.23 1.11 1.78 2.83 135 90.8% 立凯 16.14 1.116 1.18 1.97 4.02 135 89.7% 卓能 18.87 1.1258 1.59 3.76 8.68 133.8 89.1% 久兆 12~16 ≥1.15 0.7~1.5 2.0~6.0 9.0~14 ＞ 130 ＞90%
久兆磷酸铁锂特点更强的性价比
-量产规模大，目前2000吨的年产能完全满足客户批量供应的需求，并且可以按照客户的要求实现定制生产；
-产品生产效率高，单位能耗低，与市场同类产品相比具有最高的性价比；
Exp.久兆磷酸铁锂实际表现三高与三低特点
高活性物质含量
更低的辅料用量
高的浆料固含量
更低的自放电率
快速充电
•快速充电 •快速放电
更大容量
•比铅酸更大容量
无记忆效应更环保更小更轻
•体积铅酸2/3 •重量铅酸1/3

锂离子电池介绍

钴酸锂钴酸锂(LiCoO2)是二次锂离子电池的正极材料之一。

二次锂离子电池因其具有工作电压高、重量轻、比能量大、自放电低、循环寿命长、无记忆效应等优点而作为电源有广泛应用。

该项目以纳米四氧化三钴和碳酸锂为原料，经过混料、焙烧、研磨、二段焙烧、粉碎分级制备锂离子电池正极材料钴酸锂。

工艺路线短，产品质量稳定，无环境污染。

制备的材料外形为片状颗粒，分散良好，具有良好的可供锂离子脱嵌的层状结构和良好的循环稳定性。

磷酸铁锂锂离子电池的性能主要取决于正负极材料。

磷酸铁锂作为锂电池材料是近几年才出现的事，国内开发出大容量磷酸铁锂电池是2005年7月。

其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。

1C充放循环寿命达2000次。

单节电池过充电压30V不燃烧，穿刺不爆炸。

磷酸铁锂正极材料做出大容量锂离子电池更易串联使用。

以满足电动车频繁充放电的需要。

具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜，寿命长等优点，是新一代锂离子电池的理想正极材料，国内市场年需求12000吨以上。

锂离子电池简介锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。

所以在介绍Li-ion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.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,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。

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，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。

锂电正极材料的46种包覆元素

标题：锂电正极材料的46种包覆元素摘要：锂电池作为当前最常用的电池之一，在电子产品、电动车、储能系统等领域得到了广泛应用。

而作为锂电池的关键组成部分之一，正极材料的稳定性和性能对电池的整体性能有着重要影响。

在正极材料中，包覆元素的选择对于材料的电化学性能具有重要影响。

本文将介绍锂电正极材料的46种包覆元素，探讨它们在提高正极材料性能方面的作用和研究进展。

正文：1. 简介随着新能源产业的快速发展，锂电池作为一种高能量密度、长寿命、环保的能源存储方式，得到了广泛应用。

而锂电池的正极材料作为锂离子的储存和释放的重要组成部分，其性能直接影响着电池的性能和使用寿命。

包覆元素在锂电正极材料中起着非常重要的作用，它可以保护正极材料、提高电池的循环寿命和安全性，同时还可以改善正极材料的导电性能和锂离子传输速率。

本文将着重介绍当前研究中涉及的46种包覆元素，探讨它们在锂电正极材料中的应用情况和研究进展。

2. 金属氧化物包覆元素金属氧化物是目前应用较为广泛的正极材料包覆元素之一，它们具有一定的导电性能和稳定性，可以有效保护正极材料。

常见的金属氧化物包覆元素包括氧化铁、氧化钛、氧化铝等。

研究表明，这些金属氧化物包覆元素可以有效提高正极材料的循环寿命和安全性，同时还可以改善正极材料的电化学性能和循环稳定性。

3. 石墨类包覆元素石墨类材料在包覆正极材料中也得到了一定的应用。

石墨类包覆元素具有良好的导电性能和化学稳定性，可以有效提高正极材料的电化学性能和储锂性能。

其中，石墨烯因其独特的结构和性能，在锂电正极材料的包覆中表现出了很高的应用潜力。

4. 碳类包覆元素碳材料由于其丰富的资源、良好的导电性能和化学稳定性，在包覆正极材料中也得到了广泛应用。

研究表明，碳类包覆元素可以有效提高正极材料的循环寿命和储锂性能，同时还可以改善正极材料的导电性能和离子传输速率。

5. 硅类包覆元素硅材料是一种具有很高储锂容量的材料，但其体积膨胀率较大，容易导致电极材料的破损和失活。

三元锂电池简介介绍

先进材料
其高能量密度主要得益于采用了高性能的正极材料，如镍钴锰酸锂（NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）。这些材料具有高电化学势和容量，从而实现了电池的高能量密度。
充电效率高
快速充电
三元锂电池支持快速充电技术，可以在较短的时间内充入大量电能，提高充电效率。这对于电动汽车等需要迅速补充电能的应用场景尤为重要。
构成
三元锂电池主要由正极、负极、电解液、隔膜等构成。正极材料为三元复合材料，负极材料通常为石墨或硅碳复合材料，电解液是有机溶剂和锂盐的混合物，隔膜则用于隔离正负极，防止短路。
三元锂电池的工作原理
充电过程
在充电过程中，正极材料中的锂离子通过电解液和隔膜迁移到负极材料中，同时正极材料中的电子通过外电路传递到负极，形成电流。
因此应单独存放。
应急处理措施
立即撤离现场
一旦发现三元锂电池冒烟、起火或爆炸，应立即撤离现场，并拨
打火警电话。
使用灭火器灭火
在火势较小的情况下，可使用干粉灭火器进行灭火，但不要用水灭火，以免加重火势。
不要徒手触碰
在处理起火或损坏的三元锂电池时，不要徒手触碰，以免烧伤或中毒。应佩戴防护手套和口罩等个人防护装备。
负极材料的制备
要点一
材料选择
三元锂电池的负极材料通常采用石墨、碳纤维、硅基材料等。这些材料具有较低的电位平台和较高的锂离子嵌入/脱出能力。
要点二
合成方法
负极材料的制备可采用化学气相沉积、物理气相沉积、电化学沉积等方法。其中，化学气相沉积法是一种常用方法，通过控制气相反应条件，在基体上沉积形成负极材料。
THANKS
感谢
材料选择
三元锂电池的正极材料通常采用镍、钴、锰（NCM）或镍、钴、铝（NCA）等金属氧化物的混合物。这些材料具有高能量密度和良好的电化学性能。

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锂离子电池及其正负极材料简介
王志杰何钦业吴佳静丁辉杨兵兵报告人：王志杰 2015.4.22
目录
1. 锂离子电池简介 2. 锂离子电池正极材料简介
3. 锂离子电池负极材料简介
4. 总结与展望
1 锂离子电池简介
锂离子电池的构成：
正极材料：主要是锂的化合物（比如
钴酸锂，磷酸铁锂等），图中的正极（阴极）材料是锂锰氧化物。是碳基材料。
负极材料：图中负极（阳极）材料是
电解液：一锂盐有机溶液等。
其他的部分还包括电池盖，电池壳，隔膜等。
锂离子电池的工作原理：
锂离子电池的特点：
工作电压高比容量大循环寿命长，安全性好充放电速度快自放电率小、环境友好
锂离子电池性能评价指标：
容量、能量密度循环性能快速充放电性能成本、环保性
Nat. Commun., 2014, 5, 3415
Wang et al 发现碳包覆过程会在碳和LiFePO4之
间形成一种导电性更差的Fe2P2O7新相，但是如
果将LiFePO4制成纳米尺寸，就不会出现这种导电性更差的新相，这是由于碳更容易在纳米尺寸的LiFePO4表面沉淀析出，迅速形成一层保护膜，
Energy Environ. Sci., 2013, 6, 1521–1528
防止高温下Li的流失
二维结构正极材料
锂原子和金属原子交替占据立方密堆积中的八面体位置，通过它们的相互层叠堆积,就形成
了金属原子与氧以杂化轨道或
共价键结合成较密的层状结构
LiCoO2结构
LiCoO2 单元过渡金属层状材料
Nano Lett. 2014, 14, 3550−3555
将不具有电化学活性的Ti4+掺入到尖晶石LiMn2O4表面形成
一层阳离子掺杂的LiMn2-xTixO4表面层，该表面层能够稳定
LiMn2O4晶体结构，同时其具有电化学活性因而能够维持材料表面离子和电荷传输孔道
Nature Communications 5,5693
Co略贵、充电过度容量衰减严重
LiNiO2
LiMnO2
稳定性更差、结构更无序
结构稳定性差
充放电过程示意图
层状结构的层与层之间的作用力为范德华力,Li+ 可以在层间进行脱嵌
三元过渡金属层状材料
LiCoxNiyMn1-x-yO2
比容量、稳定性提高
Li1.2Mn0.6Ni0.2O2纳米盘的侧面为 {101}面，通过使之定向排列成多
3 锂离子电池负极材料简介
锂离子电池负极材料主要是作为储锂的主体，在充放电的过程中实现锂离子的插入和脱嵌。选择负极材料时应遵循以下几点：嵌锂的氧化还原电位低锂离子脱嵌中结构的稳定性好首次不可逆容量小，容量高电子、离子导电性好，绿色环保。
①碳基负极材料
①合金材料
负极材料
②非碳基负极材料
②过渡金属氧化物 ③金属硫化物/氮化物
关于金属氮化物的研究相对较少，但由于它的层状结构同样可以支持锂离子传输，也是一种有潜在应用前景的负极材料。 Ni3N容量随循环次数的变化示意图 J. Mater. Chem., 2011,21, 9997-10002
4 总结与展望
锂离子电池商业化以来在生活起着重要的作用，目前仍然存在着巨大的挑战与问题。正负极材料作为锂电池的核心因素，基本决定了锂电池的性能与成本。
为了解决电极材料目前存在的诸多问题，寻找合适的材料、设计合适的结构成为主要的研究方向。
THANK YOU!
一维隧道结构
橄榄石型
LiMPO4 (M = Fe, Co, Ni, Mn 等 ) LiFe1/2Mn1/2PO4
J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 7306–7311
LiFePO4的导电性较差，可以通过
碳包覆得以改善，常见的有碳纳米
管（CNT）和石墨烯（Graphene）包覆修饰
2 锂离子电池正极材料简介
正极材料需要提供大量自由脱嵌的锂离子,对于提高锂离子电池的工作电压、比能量、循环寿命等电化学性能至关重要典型的正极材料结构：一维隧道结构 (如 L iFe PO4 ) 二维层状结构 (如 LiCoO2、Li1 + x V3O8、L i2 FeSiO4 ) 三维框架结构 (如 LiMn2O4、Li3V2 (PO4 ) 3 ）
一维结构正极材料
在 FeO6 层之间 ,相邻的 LiO6 八面体通过 b轴方向上的两个氧原子连接 ,形成与 c轴平行的 Li+的连续直线链在充放电过程中，该结构只是晶胞参数 a、 b减小了 , c略有增加 , 这种变化可以保障 Li+的可逆脱嵌 ,减小由于结构变化过大甚至结构崩塌造成的容量损失 PO34- 的稳定作用 ,不仅能防止橄榄石结构转化为尖晶石结构 ,还可以稳定八面体位置的氧化还原电对
碳基负极材料
石墨和碳微球是传统的锂离子电池负极碳材料，被人们最早研究并且商品化。新型碳材料，如碳纳米管(CNT)、石墨烯，由于具有特殊的一维和二维柔性结构、优良的导热性和导电特性，因此在锂离子电池应用中具有巨大的潜力。碳纳米管石墨碳微球
单层或多层纳米级管状材料，主要由 C-C 共价键结合而成的碳六边形组成。
正极材料中的构效关系
结构
一维隧道二维层状三维框架过渡金属易发生价态变化且晶体结构稳定
功能
形成Li+快速有效的嵌入和脱出的通道利于Li+嵌入和脱出，且保持电极结构稳定
制备成纳米材料或多孔材料、包覆碳材料
元素掺杂取代结构中的一些金属离子
提高 Li+和电子的传导性扩展Li+脱嵌通道和稳定骨架结构
复合壳层Co3O4的示意图 Angew. Chem. Int. Ed. ,2013, 52, 6417 –6420
非碳基负极材料：金属硫化物/氮化物
研究较多的的硫化物负极材料有TiS2 和 SnS 等，主要是出于硫化物较好的储锂性。一个TiS2 分子可以储存4 个锂离子，其理论放电比容量可达950mAh/g，约为石墨的3 倍。核壳结构SnS示意图 small ,2014, 10(3), 474–478
Energy & Environ. Sci., 2009,2, 638-654 由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。层边缘和缺陷为锂离子提供了足够的存储空间
石墨烯
ACS Nano, 2011, 5 (7), 5463–5471
非碳基负极材料：合金材料
合金材料是负极材料中的一大类材料，能在嵌锂过程中与锂离子形成合金相物质，常见的有Si、Sn、Sb、Al 、Mg、Bi。合金材料有两大显著优势，一是它具有高于传统石墨材料2-10 倍的理论比容量。二是合金类材料具有适宜的对锂反应电位，这样既能避免因对锂电位过低而发生锂沉积导致的安全隐患（如石墨），又能阻止电池组装中能量的过分耗损。
Nano Lett. 2015, 15, 2111−21190
三维结构正极材料
尖晶石结构
三方晶系结构
NASICO结构 NASICON
单斜晶系及三方晶系 (Li3V2(PO4)3)
LiMn2O4
电容量衰减严重单斜系电化学性能优于三方系
在层状的富Li阳极材料的表面包覆一层超薄的Li1+xMn2O4尖晶石层，尖晶石薄层能够维持块材在高工作电压条件下的稳定性，更重要的是这种富Li的导电层能够在电解液和层状块体之间快速地传输Li+，起到Li+泵的作用
级的准球形结构便能够使此具有电
化学活性的面大面积暴露出来，从而结合了多级结构以及电化学活性平面两种特点，使得Li+电池中的离
子和电子传输更为快速
Adv. Mater. 2014, 26, 6756–6760
使用含有Li与Co乙酸盐的乙醇混合溶液处理LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2电极材料的表面使得材料在极端条件下(如截止电压 >4.4 V，高温 >50 °C)的结构和热稳定性得到提高
锂离子在硅纳米管中的传输示意图 Nano Lett. ,2009,9(11), 3844-3847
碳包覆硅材料做锂电池负极
Nature Nanotechnology 9, 187–192 (2014)
非碳基负极材料：过渡金属氧化物
过渡金属氧化物也是一类比较广泛的锂离子电池负极材料，主要是由过渡金属元素 Ni，Co，Mn，Fe，Ti 等组成的氧化物，比如NiO，MnO2，Co3O4， Fe3O4，该类材料应变性小，可逆循环性好，电位可优化，理论比容量也高于石墨的2 倍。