锂离子电池的原理(共31张PPT)

锂离子电池的原理及应用前景第1页，共31页。锂离子电池第2页，共31页。发展历史1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。第3页，共31页。1982年伊利诺伊理工大学(theIllinoisInstituteofTechnology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。第4页，共31页。1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。第5页，共31页。1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。第6页，共31页。1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。第7页，共31页。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁(LiFePO4)，比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。第8页，共31页。锂系电池锂系电池锂电池锂离子电池聚合物锂离子电池液体锂离子电池第9页，共31页。常见种类1.锂－二氧化锰电池(Li--MnO2)

锂－二氧化锰电池是一种以锂为阳极（负极）、以二氧化锰为阴极（正极），并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高，额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍)；终止放电电压为2V；比能量大(金属锂的理论克容量为3074mAh)；放电电压稳定可靠；有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤10％)；工作温度范围－20℃～＋60℃。该电池可以做成不同的外形以满足不同要求，它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。第10页，共31页。第11页，共31页。锂—亚硫酰氯电池(Li--SOCl2)该类电池的比能量是所有商业化电池中最高的，放电电压特别平稳，一般用于不能经常维护的电子设备、仪器上，应用领域很窄。第12页，共31页。第13页，共31页。锂离子电池原理锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。第14页，共31页。第15页，共31页。负极：LiyMnYm+xLi++xe-=Lix+yMnYm

正极：LizAvBw=Liz-xAvBw+xLi++xe-

总反应LiyMnYm+LizAvBw=Lix+yMnYm+Liz-xAvBw第16页，共31页。正极材料过渡金属氧化物钴酸锂（LiCoO2）、镍酸锂（LiNiO2）、锰酸锂（LiMn2O4）及三元材料（Li-Co-Mn-Ni-O)。此外，一些新型电极材料如磷酸铁锂等LixMPO4(M=Fe、Mn、V、Ni、C0)，也开始成为近年来研究和应用的热点。第17页，共31页。对于军队而言，目前锂离子电池除了用于军事通信外，还用于尖端武器，如鱼雷、潜艇、导弹等；从交通方面而言，我国有关部门在2003年已有定论，电动自行车可不作为机动车使用。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁(LiFePO4)，比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。六氟磷酸锂(LiPF6)是锂离子电池的电解质材料，也是锂离子电池的关键组成部分，约占锂离子电池电芯材料成本的15%左右，是目前唯一生产工艺最为成熟、电池性能最可靠并获得最活化速度快、放电比容量高、循环寿命长，与正负极材料匹配性离能好，在性能、应用及环境保护方面有着独特的优势，但其合成、纯化困难，因此中国还依靠进口。就日本国内的笔记本电脑的生产情况以及今后的预测，每年笔记本电脑的生产增长率10%-30%，2005年可达12068万台，按照每年的产量增长情况，只就笔记本电脑一项，世界各国的笔记本产量和锂电池用量就可想而知。锂离子电池性能的进一步提高，主要依赖于电池中各组成材料的改进开发及电池工艺的革新。Manthiram和J.小到从电子表手表、CD唱机、移动电话、MP3、MP4、照相机、摄影机、各种遥控器、剔须刀、手枪钻、儿童玩具等。3，电动自行车的应用；充电电量储存温度0℃储存温度25℃储存温度40℃储存温度60℃

40％～60％2％/年4％/年15％/年25％/年

100％6％/年20％/年35％/年80％/6月随着手机向轻、薄、短、小化的发展，对体积小而容量大的电池需要也就相应增强，这样就可以省下大量的空间。截止2003年10月我国已经有手机2.如有条件可储存于冰箱。负极材料碳负极材料碳负极锂离子电池在安全和循环寿命方面显示出较好的性能，并且碳材料价廉、无毒，目前商品锂离子电池广泛采用碳负极材料。众所周知，碳材料种类繁多，目前研究得较多且较为成功的碳负极材料有石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等[5.6.7]。在众多的用作碳负极的材料中，天然石墨具有低的嵌入电位，优良的嵌入－脱嵌性能，是良好的锂离子电池负极材料。通常锂在碳材料中形成的化合物的理论表达式为LiC6第18页，共31页。小到从电子表手表、CD唱机、移动电话、MP3、MP4、照相机、摄影机、各种遥控器、剔须刀、手枪钻、儿童玩具等。充电电量储存温度0℃储存温度25℃储存温度40℃储存温度60℃

40％～60％2％/年4％/年15％/年25％/年

100％6％/年20％/年35％/年80％/6月所以，锂离子电池代替电动自行车的铅酸电池是必然趋势，这样电动自行车的轻快、便捷、安全、廉价将会受到越来越多人士的欢迎。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。智能型锂离子电池由于有内建的监测电路，这个监测电路的工作电流甚至高于自放电电流。3，电动自行车的应用；如有条件可储存于冰箱。1997年10月广东已经引进了20辆电动汽车，把佛山作为电动汽车的推广示范城市。不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命缩短。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。锂离子电池电解质材料——六氟磷酸锂1982年伊利诺伊理工大学(theIllinoisInstituteofTechnology)的R.电动汽车发展的预测；不耐受过放：过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。智能型锂离子电池由于有内建的监测电路，这个监测电路的工作电流甚至高于自放电电流。电介质材料锂离子电池电解质材料——六氟磷酸锂1、项目介绍（1）项目概况六氟磷酸锂(LiPF6)是锂离子电池的电解质材料，也是锂离子电池的关键组成部分，约占锂离子电池电芯材料成本的15%左右，是目前唯一生产工艺最为成熟、电池性能最可靠并获得最活化速度快、放电比容量高、循环寿命长，与正负极材料匹配性离能好，在性能、应用及环境保护方面有着独特的优势，但其合成、纯化困难，因此中国还依靠进口。本项目经过大量试验，开发出了特有的固相反应技术，制备和生产高纯度的六氟磷酸锂，简化生产和提纯工艺，降低了投资成本与生产成本，能为国内锂离子电池生产厂家提供高性价比电解质材料，（2）市场前景从综合性能的角度考虑，锂离子电池是目前最有发展前途和应用前景的高能二次电池。但由于锂离子电池的商业化至今只有十多年的时间，电池及相关材料的生产工艺技术还不十分成熟，因而锂离子电池技术还具有很大的开发潜力。锂离子电池性能的进一步提高，主要依赖于电池中各组成材料的改进开发及电池工艺的革新。由于电解质材料在电池成本中所占比重较大，对其进行开发显得尤为重要。2007全球锂离子电池行业消耗六氟磷酸锂约1300吨，我国消耗六氟磷酸锂约400吨。考虑到电动车的潜在发展，预计2008年全球需消耗六氟磷酸锂约2000吨，中国约800吨。作为一种高科技含量、高附加值的产品，随着锂离子电池的发展，其需求量将进一步扩大，其市场前景非常广阔。（3）经济效益预测以每吨产品成本18万元、销售价格每吨30万元计算。年产100吨，可以实现年销售3000万元，年利税1200万元。（4）投资估算建设年产100吨锂离子电池用六氟磷酸锂材料中试生产线，需要采用水电齐备标准厂房1000平方米,设备投入1000万元,流动资金2000万元。2、合作方式股份合作第19页，共31页。优点高能量密度：因电极材料不同而不同，按质量计算，可达150～200Wh/kg(540～720kJ/kg)；按体积计算，可达250～530Wh/L(0.9～1.9kJ/cm3)。

开路电压高：因电极材料不同而不同，可达3.3～4.2V。

输出功率大：因电极材料不同而不同，可达300～1500W/kg(@20秒)。

无记忆效应

低自放电：<5％～10％/月。智能型锂离子电池由于有内建的监测电路，这个监测电路的工作电流甚至高于自放电电流。

工作温度范围宽：可在-20℃～60℃之间正常工作。

充、放电速度快

因此，锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军工产品、航空产品等。第20页，共31页。缺点缺点

衰老：与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。

储存温度与容量永久损失速度的关系充电电量储存温度0℃储存温度25℃储存温度40℃储存温度60℃

40％～60％2％/年4％/年15％/年25％/年

100％6％/年20％/年35％/年80％/6月

回收率：大约有1％的出厂新品因种种原因需要回收。

不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命缩短。

不耐受过放：过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。

需要多重保护机制：由于错误使用会减少寿命，甚至可能导致爆炸，所以，锂离子电池设计时增加了多种保护机制。

保护电路：防止过充、过放、过载、过热。

排气孔：避免电池内部压强过大。

隔膜：有较高的抗穿刺强度，防止内部短路；在电池内部温度过高时还能融化，阻止锂离子通过，阻滞电池反应，升高内阻(至2kΩ)。

排气孔、隔膜一旦激活，将使电池永久失效。第21页，共31页。使用充电时不得高于最大充电电压，放电时不得低于最小工作电压。

无论任何时间锂离子电池都必须保持最小工作电压以上,低电压的过放或自放电反应会导致锂离子活性物质分解破坏，并不一定可以还原。

锂离子电池任何形式的过充都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。锂离子电池在充电过程必需避免对电池产生过充。

不要经常深放电、深充电。不过，每经历约30个充电周期后，电量检测芯片会自动执行一次深放电、深充电，以准确评估电池的状态。

避免高温，轻则缩短寿命，严重者可引发爆炸。如有条件可储存于冰箱。笔记本电脑如果正在使用交流电，请拔除锂离子电池条，以免受到电脑产热的影响。

避免冻结，但多数锂离子电池电解质溶液的冰点在-40℃，不容易冻结。

如果长期不用，请以40％～60％的充电量储存。电量过低时，可能因自放电导致过放。

由于锂离子电池不使用时也会自然衰老，因此，购买时应根据实际需要量选购，不宜过多购入第22页，共31页。应用前景1，移动电话的应用；

随着手机向轻、薄、短、小化的发展，对体积小而容量大的电池需要也就相应增强，这样就可以省下大量的空间。要使手机可以最小型化，只有锂离子电池是最好的电源。截止2003年10月我国已经有手机2.45亿部，每年新手机的用户还以15%-25%左右的速度在增加。而且每年新手机的更换率大约在25%左右，所以锂离子电池的需求就越来越大。

第23页，共31页。2，笔记本电脑的应用；

就日本国内的笔记本电脑的生产情况以及今后的预测，每年笔记本电脑的生产增长率10%-30%，2005年可达12068万台，按照每年的产量增长情况，只就笔记本电脑一项，世界各国的笔记本产量和锂电池用量就可想而知。

第24页，共31页。3，电动自行车的应用；

根据有关方面预测，我国人口总量将控制在16-17亿之间。是美国人口的6倍，德国的20倍。在美国平均1.5人1辆汽车，德国平均1.33人1辆汽车，随着中国经济的发展，汽车的拥有量不断增加。如果达到美国的经济发展水平，那么中国的气油消耗量将相当于目前中东地区产油量的2倍。显然是不现实的，应当依靠其它方法来解决。因此，电动自行车开始是目前较为理想的选择之一。因为电动自行车在行使时不会产生环境污染。我国的自行车拥有量相当大，号称自行车王国。从电动车的发展和产业化从电动自行车开始起步更符合中国国情，从居民平均收入水平和大众需求来看，电动自行车更容易普及和推广，电动自行车是助力自行车最好的替代品。从交通方面而言，我国有关部门在2003年已有定论，电动自行车可不作为机动车使用。但目前我国的电动自行车大部分还是采用的铅酸电池作为动力。则电池的本身质量就有十几公斤。如果采用锂离子电池，电池的质量只有约3公斤。所以，锂离子电池代替电动自行车的铅酸电池是必然趋势，这样电动自行车的轻快、便捷、安全、廉价将会受到越来越多人士的欢迎。以北京市为例，随着交通部门对电动自行车限制的放松，市场需求将达到100万辆。全国的需求量就可想而知了，

第25页，共31页。4，电动汽车的应用；

对我国而言，汽车污染日益严重，尾气、噪音等对环境的破坏到了必须加以控制和治理的程度，特别是在一些人口稠密、交通拥挤的大中城市情况变得更加严重。以我国上海市为例；1995年市中心城区内机动车的CO、CxHy、NOx、排污负荷分别占该城区内相应排放总量的76%、93%、和44%。如不采用措施，预计到2010年机动车排污负荷将进一