《锂离子电池储能材料》课件

锂离子电池储能材料能量转换与储存的关键技术电化学储能的核心组成部分课程大纲1基础知识锂电池原理与结构2材料体系正极、负极、电解质、隔膜3表征与评价分析方法与性能测试研究前沿第一章：锂离子电池基础工作原理离子嵌入与脱嵌机制主要优势高能量密度、长循环寿命应用领域消费电子、电动汽车、储能系统1.1锂离子电池的工作原理充电过程锂离子从正极脱嵌经电解质迁移至负极电子流动电子通过外电路从正极流向负极放电过程锂离子从负极脱嵌经电解质返回正极1.2锂离子电池的优势高能量密度比铅酸电池高3-4倍长循环寿命可达数千次循环高工作电压单体电池3.6-3.7V高效率充放电效率>95%1.3锂离子电池在储能领域的应用电网调峰削峰填谷、频率调节家庭储能结合光伏系统备用电源通信基站、医院等关键设施第二章：锂离子电池的结构组成1正极材料提供锂源2负极材料储存锂离子3电解质锂离子传输介质4隔膜隔离正负极5集流体收集电子2.1正极材料1钴酸锂首个商业化正极2锰酸锂成本低、安全性高3磷酸铁锂安全性最佳4三元材料高能量密度2.2负极材料从传统石墨到新型硅基、钛酸锂及金属锂追求高容量与长循环寿命2.3电解质液态电解质锂盐+有机溶剂1固态电解质无机/聚合物2凝胶电解质液体电解质+聚合物3添加剂改善界面性能42.4隔膜聚烯烃隔膜PP/PE主流材料涂层隔膜提高安全性能非织造布高温稳定性好提供物理隔离，防止短路允许锂离子通过的微孔结构2.5集流体正极集流体铝箔，厚度15-25μm负极集流体铜箔，厚度8-12μm关键特性高导电性、耐腐蚀性新型结构泡沫、网状提高表面积第三章：正极材料不同正极材料容量对比3.1钴酸锂（LiCoO2）1层状结构锂离子在二维平面内迁移2高体积能量密度适合小型电子设备3循环稳定性好但实际利用率仅50-60%4问题钴资源稀缺、价格昂贵3.2锰酸锂（LiMn2O4）1优点成本低、环保2结构特征三维锂离子扩散通道3应用领域电动工具、小型电动车4局限性Mn溶解导致容量衰减3.3磷酸铁锂（LiFePO4）2000+循环次数卓越的循环稳定性3.2V工作电压平稳的放电平台170理论容量单位：mAh/g10C+倍率性能优异的快充能力3.4三元材料（NCM/NCA）NCM111早期三元材料镍钴锰比例1:1:1NCM523/622中镍三元材料提高镍含量，降低钴用量NCM811/NCA高镍三元材料高能量密度，但热稳定性降低3.5富锂材料结构特征Li2MnO3与LiMO2复合结构面临挑战电压衰减与容量损失发展潜力理论容量高达300mAh/g3.6正极材料的比较材料类型容量(mAh/g)平均电压(V)主要优势主要缺点LiCoO21403.9体积能量密度高钴资源稀缺LiMn2O41204.0成本低高温性能差LiFePO41603.2安全性极佳能量密度较低NCM8112003.7综合性能好热稳定性降低第四章：负极材料负极材料决定电池快充性能与寿命从传统石墨到新型材料的演进4.1石墨层状结构锂离子嵌入石墨层间1理论容量372mAh/g(LiC6)2特点工作电位低，循环稳定3应用主流商业化负极材料44.2硅基材料4200理论容量单位：mAh/g300%体积膨胀循环过程中巨大体积变化5~10%商业添加比例与石墨复合使用4.3钛酸锂（Li4Ti5O12）零应变材料循环过程几乎无体积变化工作电压1.55Vvs.Li/Li+，无锂枝晶安全性能极高的热稳定性与安全性应用场景快充电池与低温电池4.4其他新型负极材料石墨烯大比表面积，高导电性金属氧化物Fe2O3、SnO2等转化反应材料金属锂极高能量密度，面临安全挑战4.5负极材料的比较负极材料的理论容量比较第五章：电解质材料液态电解质主流商业化方案锂盐+有机溶剂凝胶电解质过渡方案兼具液态电解质与固态电解质优点固态电解质未来发展方向氧化物、硫化物、聚合物体系5.1液态电解质锂盐种类LiPF6(主流)LiBF4LiClO4LiTFSI有机溶剂EC(形成SEI膜)DMC/DEC/EMC(降低粘度)PC(低温性能)性能要求高离子电导率宽电化学窗口热稳定性5.2固态电解质1优势高安全性、宽电位窗口2氧化物体系LLZO、LATP等3硫化物体系LGPS、Li3PS4等4聚合物体系PEO基、PVDF基等5挑战界面阻抗、机械性能5.3凝胶电解质聚合物基体PVDF-HFP、PAN等液态组分常规液态电解液安全性抑制电解液泄漏柔性适合柔性电池5.4电解质添加剂1成膜添加剂VC、FEC形成稳定SEI膜2阻燃添加剂三苯基磷酸酯等提高安全性3过充保护添加剂内置安全机制4低温添加剂改善低温电导率与动力学第六章：隔膜材料隔膜要求高机械强度、适宜孔隙率、高离子传导性6.1聚乙烯（PE）隔膜热关闭特性熔点约135°C典型厚度12-25μm孔隙率35-50%机械强度较低，易变形6.2聚丙烯（PP）隔膜熔点约165°C，高于PE机械性能优于PE，更耐穿刺应用形式单层PP或PP/PE/PP三层复合制备方法干法工艺或湿法工艺6.3陶瓷涂层隔膜1基膜PP或PE基膜2涂层材料Al2O3、SiO2等无机粒子3粘结剂PVDF等聚合物4涂布工艺刮刀涂布、喷涂等6.4隔膜材料的发展趋势更薄从25μm向8μm发展降低内阻，提高能量密度更安全复合涂层设计阻燃性能与热稳定性提升更功能化离子导体涂层促进离子传输，抑制锂枝晶第七章：材料表征技术结构表征XRD、中子衍射形貌表征SEM、TEM、AFM组分表征XPS、IR、拉曼电化学表征CV、EIS、GITT7.1X射线衍射（XRD）分析内容晶体结构、相组成、晶胞参数应用形式普通XRD、同步辐射、原位XRD材料应用正极晶相变化、负极嵌锂结构7.2扫描电子显微镜（SEM）形貌分析粒子大小、形状、分布元素分析EDS能谱与元素分布截面分析电极厚度、孔隙度测定7.3透射电子显微镜（TEM）高分辨率原子级晶格观察1选区电子衍射局部晶体结构分析2STEM-EELS化学状态与元素分布3原位TEM动态结构演变观察47.4X射线光电子能谱（XPS）1分析深度表面敏感技术，5-10nm2分析内容元素组成、化学状态3应用重点SEI膜组成分析界面反应研究4深度剖析结合离子刻蚀获取深度信息7.5拉曼光谱分子振动信息与化学键特征石墨负极的嵌锂程度分析电极表面膜层组成研究第八章：储能材料性能评价1容量性能比容量与倍率能力2循环性能容量保持与库伦效率3安全性能热稳定性与滥用测试4环境适应性温度范围与湿度影响8.1容量和倍率性能磷酸铁锂三元材料钴酸锂不同正极材料的倍率性能对比(mAh/g)8.2循环寿命循环测试方法恒流充放电脉冲充放电功率循环评价指标容量保持率库伦效率内阻增长衰减机制SEI膜增厚活性材料损失结构变化8.3安全性能针刺测试模拟内部短路热失控测试DSC、ARC分析过充测试评估过充电安全边界挤压测试模拟机械变形8.4温度适应性温度(°C)容量保持率(%)温度对电池容量的影响低温离子扩散受限，电解液粘度增加第九章：先进储能材料研究进展高镍低钴NCM90/NCA95全固态电池无液态电解质金属锂负极超高理论容量钠离子电池资源丰富9.1高镍三元材料90%+镍含量降低钴用量220比容量单位：mAh/g3.7V平均电压高能量密度800+循环次数商业化寿命要求9.2固态电解质研究热点LLZO、LLTO氧化物Li3PS4、LGPS硫化物技术挑战界面接触阻抗机械应力适应性研究方向复合固态电解质界面改性策略9.3金属锂负极1高能量密度3860mAh/g理论容量2面临挑战枝晶生长、体积变化、副反应3解决方案人工SEI膜、3D集流体、电解质优化4应用前景下一代高能量密度储能系统9.4钠离子电池材料正极材料层状过渡金属氧化物普鲁士蓝类似物负极材料硬碳、钛基氧化物有机材料电解质NaPF6、NaClO4盐PC、EC/DEC溶剂资源丰富、成本低廉能量密度低于锂离子电池第十章：储能材料的挑战与前景1技术突破新型高容量材料2可持续发展资源循环利用3成本降低制造工艺优化4应用拓展从消费电子到规模储能5标准体系安全与性能评价体系完善10.1能量密度提升不同电池技术的理论能量密度对比10.2安全性改善隔膜技术热关闭功能、陶瓷涂层阻燃电解液含磷/含氟添加剂安全涂层电极表面保护膜监测技术内置传感与预警10.3成本降低锂离子电池成本下降趋势规模效应与技术进步双重推动10.4资源可持续性资源评估关键元素储量与分布1材料替代减少关键元素依赖2回收利用电池梯次利用与资源回收3绿色制造降低能耗与污染410.5新型储能技术钠离子电池资源丰富、成本低液流电池能量与功率独立设计全固态电池安全性高、能量密度高总结1材料体系多元化正负极、电解质与隔膜体系已形成2性能提升能量密度、循环寿命与安全性不断改善3发展趋势绿色、高能、安全、长寿命方向发展4应用前景从消费电子扩展至交通、储能等领域参考文献1J.B.Goodenough,Y.Kim《锂离子可充电电池的挑战》化学物质评论,20102