鋰離子電池材料ppt課件(已修改)

　

【正文】 鋰離子電池材料 ? 鋰離子電池概述 ? 正極材料 ? 負極材料 ? 隔膜材料 ? 電解質 電池 電池是一種利用電化學的氧化 還原反應，進行化學能 電能之間轉換的儲能裝置。 電池 一次電池 二次電池 鋅錳干電池 紐扣電池 鋰原電池 鉛酸電池 鎳氫電池 鋰離子電池 鋰離子電池 鉛酸電池 鋰離子電池 一次電池 電池的應用 鋰離子電池工作原理 鋰離子電池的工作 原理就是指其充放電原 理。當對電池進行充電 時，電池的正極上有鋰 離子生成，生成的鋰離 子經過電解液運動到負 極。而作為負極的碳呈 層狀結構，它有很多微 孔，到達負極的鋰離子 就嵌入到碳層的微孔中， 嵌入的鋰離子越多，充 電容量越高。 鋰離子電池的工作原理示意圖 Li Metal Oxygen (a) metallic Li type secondary battery charge discharge cathode anode Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ Li+ 以金屬鋰為負極的二次鋰電池工作原理 電池反應 :6C+LiCoO2 充電 放電 正極反應 :LiCoO2 Li1xCoO2+xLi++xe 負極反應 :6C+xLi++xe 充電 放電 LixC6 充電 放電 Li1xCoO2+ LixC6 鋰離子電池電極反應 鋰離子電池 正 極 負 極 電解質 LiCoO2 、 LiNiO2 、 LiMn2O4 、LiFePO4等 碳系列、金屬鋰系列、氧化物系列、其他負極材料等 有機溶劑電解質（液態） 聚合物電解質（固態、凝膠） 鋰離子電池與鎳鎘、鎳氫電池性能的對比 技術參數 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 工作電壓（ V） 比容量 (Wh/Kg) 50 65 105140 充放電壽命 (次 ) 500 500 5000 自放電率（ %/月） 2530 3035 69 有無記憶效應 有 有 無 有無污染 有 無 無 目前鋰離子電池優缺點 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 40 80 120 160 200 Volumetric Energy Density (Wh/l) lighter smaller Lithium Batteries (LIB, LPB, PLI,…) NiMH NiZn NiCd LeadAcid 各種蓄電池的能量密度比較 LIB：鋰離子電池 LPB：鋰聚合物電池 PLI：塑性鋰離子電池 鋰離子電池的典型充放電曲線和溫度變化 5 . 0 5 0 Capacity(Ah) Voltage(V) Temperature(oC) 0 . 9 0 . 6 0 . 3 0 . 0 0 . 3 0 . 6 0 . 9 0 . 0 1 . 0 2 . 0 3 . 0 4 . 0 2 0 3 0 4 0 ? ? ? ? ? ? 優點 、大電流放電特性不理想 缺點 鋰離子電池的優缺點 (1) 具有穩定的層狀或隧道的晶體結構 ； (3) 有平穩的電壓平臺 ； (2) 具有較高的比容量 ； (4) 正、負極材料具有高的電位差 ； (5) 具有較高的離子和電子擴散系數 ； (6) 環境友好。 鋰離子電池對正、負極材料的要求 2 正極材料 正極材料概述 正極材料是鋰離子電池的重要組成部分 ，在鋰離子充放電過程中 ， 不僅要提供正負極嵌鋰化合物往復嵌入 /脫嵌所需要的鋰 ， 而且還要負擔負極材料表面形成 固體電解質界面膜 (SEI)所需的鋰 。 此外 ， 正極材料在鋰離子電池中占有較大比例 (正負極材料的質量比為 3:1～ 4:1)， 故正極材料的性能在很大程度上影響著電池的性能， 并直接決定著電池的成本 。 大多數可作為鋰離子電池的活性正極材料是含鋰的過渡金屬化合物，而且以氧化物為主。 目前已用于鋰離子電池規模生產的正極材料為 LiCoO2。 材料 名稱 理論 比容量 實際 比容量 電位平臺 特 點 LiCoO2 275 mAh/g 130 ~ 140 4V 性能穩定，高比容量，放電平臺平穩 LiNiO2 274 mAh/g 170 ~ 180 4V 高比容量，價格較低熱穩定性較差， LiMn2O4 148 mAh/g 100 ~ 120 4V 低成本，高溫循環和存放性能較差 鋰離子電池正極材料研究現狀 層狀結構材料 LiCoO2 LiCoO2是鋰離子電池中一種較好的正極材料，具有工作電壓高、放電平穩、比能量高、循環性能好等優點，適合大電流放電和鋰離子的嵌入和脫出，在鋰離子電池中得到率先使用。此外，由于它較易制備而成為目前唯一已實用于生產的鋰離子電池正極材料 LiCoO2的實際容量約為 140 mAh/g，只有理論容量 (275 mAh／ g)的約 50％，且在反復的充放電過程中，因鋰離子的反復嵌入和脫出，使活性物質的結構在多次收縮和膨脹后發生改變，導致 LiCoO2內阻增大，容量減小。 LiCoO2的基本性質 高溫制備的 LiCoO2具有理想層狀的 aNaFeO2型結構 , 屬于六方晶系 , R3m空間群 。 a= nm, c= nm。 氧原子以 ABCABC 方式立方密堆積排列 , Li+和 Co2+交替占據層間的八面體位置 。Li +離子在 LiCoO2中的室溫擴散系數在 1011～ 1012m2/s之間 。 Li+的擴散活化能與 Li1xCoO2中的 x密切相關 。 在不同的充放電態下 , 其擴散系數可以變化幾個數量級 。 LiCoO LiNiO2結構示意圖 Fig. The cross sectional view of coin type LiCoO2/Li coupled cell. Cathode Cathode current collector(can) Gasket Anode Anode current collector(cap) Separator LiCoO2/Li組成的紐扣電池 存在的主要問題 （ 1）實際比容量與理論值 275mAh/g有較大差距； （ 2）資源匱乏，成本高； （ 3）有環境污染。 主要解決辦法 利用 Ni、 Al等元素摻雜替代，穩定結構，提高電位和比容量，降低成本。 LiCoO2目前存在的問題及解決方法 LiCoO2的制備方法 傳統的高溫固相反應以鋰、鈷的碳酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽、氧化物或氫氧化物等作為鋰源和鈷源， 混合壓片后在空氣中加熱到 600～900℃ 甚至更高的溫度 ，保溫一定時間。為了獲得純相且顆粒均勻的產物，需將 焙燒和球磨技術結合進行長時間或多階段加熱 。 高溫固相合成法 工藝簡單 ， 利于工業化生產 。但它存在著以下缺點： (1)反應物難以混合均勻，能耗巨大 。 (2)產物粒徑較大且粒徑范圍寬， 顆粒形貌不規則， 調節產品的形貌特征比較困難 。導致材料的 電化學性能不易控制 。 低溫固相合成法 為克服高溫固相合成法的缺陷，近年來發展了多種低溫合成技術。如將鉆、鋰的碳酸鹽按照化學計量比充分混合，在己烷中研磨，升溫速率控制在 50℃ h1，在空氣中加熱到 400℃，保溫一周 ， 形成單相產物。結構分析表明大約有 6％ 的鈷存在于鋰層中， 具有理想層狀和尖晶石結構的中間結構 。 LiNiO2正極材料 與 LiCoO2相比 ， LiNiO2因價格便宜且具有高的可逆容量 ， 被認為最有希望成為第二代商品鋰離子電池材 料 。 而 LiCoO2制備困難 ， 按LiCoO2制備工藝合成 LiNiO2所得到材料的電化學性能極差 ， 原因在于LiCoO2屬于 R3m群 ， 其晶格參數為 ah= nm， ch= nm， ch/a h=， 屬于六方晶系 ， 且和立方晶系相應值接近 ， 說明鎳離子的互換位置與 LiCoO2相比 對晶體結構影響很小 。 而 (3a)、 (3b)位置原子的互換 ， 嚴重影響材料的電化學活性 。 LiNiO2屬于三方晶系 ， Li與 Ni隔層分布占據于 氧密堆積所形成的八面體 空隙中， 因此具有 2D層狀 結構，充放電過程中該結 構穩定性的好壞決定其化 學性能的優劣 。層狀化合物的穩定性與其晶格能的 大小有關。理論比容量為 274mAh/g，實際可達到180mAh/g以上，遠高于 LiCoO2， 具有價廉、無毒，等優點， 不存在過充電現象。 LiNiO2的性質 (b) LiNiO2 ch LiNiO2目前存在的問題及解決方法 存在的問題 （ 1） 制備困難 。 （ 2）結構不穩定，易生成 Li1yNi1+yO2。使得部分 Ni位 于 Li層中， 降低了 Li離子的擴散效率和循環性能 。 主要解決辦法 利用 Co、 Al、 Mg等元素摻雜替代，穩定結構，提高電位、比容量和循環性能。改善制備工藝、降低合成條件。 對利用 Al摻雜替代的 LiNi1xAlxO2材料的結構和性質進行了研究。 結果表明， Al摻雜可以起到穩定結構、提高