第三章 锂离子电池VIP免费

1化学与物理电源基础能源科学与工程学院电子科技大学2化学与物理电源基础一、锂离子电池的发展二、锂离子电池的工作原理三、锂离子电池负极材料四、锂离子电池正极材料五、锂离子电池电解质材料一、锂离子电池的发展锂离子电池由于其高比能量和高电压的优点，受到了人们的极大关注，已成为国际电池界商品化开发的热点和重点。可充电锂电池技术发展的推动力主要来自三个方面：消费电子产品、电动汽车和可移植医疗器具（如人工心脏）。锂离子电池的发展可以追溯到上世纪70年代。第一个商品化的可充式锂-二硫化钼电池于1979年研究成功，1987年投产。不幸的是1989年8月，日本电信电话公司（NTT）的汽车移动电话在使用该电池时发生了起火事件，原因是锂枝晶的形成导致正负极间的隔膜穿孔引起电池短路，后来该电池被迫停产。3一、锂离子电池的发展70年代末，法国的Armand先后提出了两种解决途径:1.采用聚合物固体电解质，它不与锂发生反应，可制备全固态锂金属二次电池；2.采用很低电压就能使锂离子嵌入脱出的材料来代替金属锂，从而发展为正极和负极采用锂离子嵌入材料的锂离子二次电池根据第二条解决途径，1991年，日本Sony公司推出了第一代商业化锂离子电池，成为锂离子电池发展史上的一个里程碑。和以往不同的是，这一代的锂离子电池分别用两种不同的插层化合物作电极，在正极上采用的是LiCoO2，而负极则用石墨替代了原先的Li金属。负极材料的改变解决了长期困扰锂电池的Li枝晶问题，从而大大提高了电池的安全性。4一、锂离子电池的发展锂离子电池商业化的成功，引起了全世界的广泛关注，多年来，各国政府都投入了大量的人力物力进行研究和开发，有力地促进了锂离子电池的商业化发展。十几年来，锂离子电池不仅在产量和产值取得了巨大的飞跃，而且其应用领域也大大拓宽了。目前，锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。随着这些电器的高能化，轻量化，对锂离子电池的需求也越来越迫切。除了适应电器市场向微型化发展以外，锂离子电池也在向大型电动设备方向发展，被看作是未来电动汽车动力电源的重要候选者之一，并在空间技术、国防工业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景。5一、锂离子电池的工作原理锂离子电池是以锂离子嵌入化合物为正负极的二次电池，实际上是一个锂离子浓差电池，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。通常正极采用锂化合物，负极采用锂－碳层间化合物。电介质为锂盐的有机电解液。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱出，因此又被形象地称之为“摇椅式电池”。6二、锂离子电池的工作原理7锂离子电池的工作原理示意图二、锂离子电池的工作原理充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到负极，保证负极的电荷平衡。放电时，Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电过程中，Li+在层状结构的碳材料和层状结构的金属氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。8二、锂离子电池的工作原理9（-）Cn|LiClO4-EC+DEC|LiMO2（+）式中：M=Co，Ni，Mn等，正极化合物有LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4等，负极化合物有C，Li，WO3等。EC：碳酸乙烯酯DEC：碳酸二乙酯正极反应：负极反应：电池总反应：+-21-x2LiMOLiMO+xLi+xe充电放电+-xnnC+xLi+xeLiC充电放电21-x2xnLiMnO+nCLiMO+LiC充电放电二、锂离子电池的工作原理10二、锂离子电池的工作原理锂离子电池首次充放电过程称为电池活化。通过活化过程，电池形成稳定的电化学体系。首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层，称为“固体电解质界面膜”（SolidElectrolyteInterface:SEI）。SEI具有固体电解质的特征，是电子绝缘体却是Li+的优良导体，Li+可以通过该钝化层自由地嵌入和脱出。SEI膜具有非常重要的作用：•对负极材料起保护作用，使材料结构不易崩塌，增加电极材料的循环寿命•SEI的形成过程会消...