锂电池配料原理.ppt

锂电池配料原理.ppt

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HYBjsbJMZ_,主讲:

井明召,2008.6.30,锂离子电池配料基础知识,第一部分:

正极活性物质,第二部分:

负极活性物质,第三部分:

配料工艺,前言:

配料定义,HYBjsbJMZ_,前言:

配料定义,定义：

配料就是将活性物质、粘接剂、导电剂、溶剂、助剂通过搅拌机捏合、分散而配制成均匀浆料的过程,HYBjsbJMZ_,前言:

配料定义,活性物质:

a.指锂离子电池在充放电过程中能够提供锂离子（脱锂）或接收锂离子（嵌锂）的物质b.提供锂离子（脱锂）的活性物质为正极:

LiCoO2、LiMn2O4、Li（NiCoMn）O2、LiFePO4、LiNiCoO2、LiNiO2、Li3V2（PO4）3、Li4Ti5O12等c.接收锂离子（嵌锂）的活性物质为负极极:

天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、硅碳合金、锡碳合金、Li4Ti5O12等,HYBjsbJMZ_,前言:

配料定义,粘接剂:

a.使活性物质、导电剂、助剂以及集流体之间连接牢固b.油系浆料常用粘接剂:

PVDF（聚偏氟乙烯）c.水系浆料常用粘接剂:

SBR（丁苯乳胶）导电剂:

a.提高极片的导电性，补偿活性物质的电子导电性b.常见导电剂:

微粉石墨（S-0、KS-6等）、乙炔黑（MA-100等）、碳黑（VXC72、BP2000、degussa等）、气相生碳纤维（VGCF）等,HYBjsbJMZ_,前言:

配料定义,溶剂:

a.油系浆料常用溶剂:

NMP（氮甲基吡咯烷酮）b.水系浆料常用溶剂:

去离子水助剂:

a.水系防沉淀剂,如CMC能使浆料处于亚稳定的胶体状态b.水系消泡剂,如无水乙醇、正丁醇等c.油系负极集流体粗化剂,如草酸d.油系分散剂,如K30,HYBjsbJMZ_,第一部分:

正极活性物质,一、LiCoO2正极活性物质,二次颗粒SEM图片,一次颗粒SEM图片,HYBjsbJMZ_,LiCoO2正极活性物质,1、LiCoO2工业化制备工艺:

高温固相合成法,四氧化三钴Co3O4,碳酸锂LiCO3,配混料Mixing,烧结Sintering,粉体处理（粉碎、分级）PowderTreatment,混批Batching,成品Finalproduct,关键工序:

烧结,800850烧结工艺直接影响晶粒的生长,二次颗粒与一次颗粒就是因烧结工艺不同产生的,HYBjsbJMZ_,LiCoO2正极活性物质,2、LiCoO2主要理化指标:

HYBjsbJMZ_,LiCoO2正极活性物质,3、二次颗粒的优缺点:

优点:

材料比表面积大,参与反应的界面就大,能够降低界面阻抗,充分发挥活性活质活性;主要表现为:

比容量高,电压平台性能优良,大电流放电以及低温性能优良,缺点:

1.材料比表面积大,参与反应的界面大,副反应发生机率增加,安全性能与高温性能差;2.颗粒不规则,振实密度小,压实性能差（一般压实3.8g/cm3）,HYBjsbJMZ_,LiCoO2正极活性物质,4、一次颗粒的优缺点:

优点:

a.低表面积能降低副反应概率,有助改善安全性与高温性能b.表面光滑,压实密度大（如ZGCL3000-B极限压实约为4.1g/cm3）c.配料易分散,对设备以及工艺的依赖性差,缺点:

材料比表面积小,参与反应的界面小,使界面阻抗增加,不利活性活质活性充分发挥;使容量发挥、平台性能、大电流放电以及低温性能受到影响,HYBjsbJMZ_,LiCoO2正极活性物质,5、LiCoO2主要电性能:

充电正极反应：

LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi+xe-放电,属-NaFeO2层状晶型结构,理论容量为:

273mAh/g,由于当X0.6时,材料结构发生变化,实际容量只有150mAh/g;,HYBjsbJMZ_,LiCoO2正极活性物质,5、LiCoO2主要电性能:

1.上限电压4.2V,下限电压3.0V,3.6V放电平台比率80%,2.100周循环容量率减5%,HYBjsbJMZ_,第一部分:

正极活性物质,二、LiMn2O4正极活性物质,SEM图片,HYBjsbJMZ_,LiMn2O4正极活性物质,1、LiMn2O4工业化制备工艺:

高温固相合成法,二氧化锰MnO2,碳酸锂LiCO3,配混料Mixing,烧结Sintering,粉体处理（研磨）PowderTreatment,筛粉Sieving,成品Finalproduct,关键工序:

烧结烧结温度在600850,HYBjsbJMZ_,LiMn2O4正极活性物质,2、LiMn2O4主要理化指标:

HYBjsbJMZ_,LiMn2O4正极活性物质,3、LiMn2O4主要优缺点:

优点Advantage:

a.成本低LowCostb.材料环保无公害Environment-friendlyc.工作电压与现有电解液匹配（4.1V）d.安全性好Goodsafetye.主要应用领域:

动力电池,缺点Disadvantage:

a.克比容量低Lowcapacity:

115mAh/gb.高温性能有待提高:

适用温度范围-2050c.压实性能差2.9g/cm3,HYBjsbJMZ_,LiMn2O4正极活性物质,4、LiMn2O4主要电性能:

充电正极反应：

LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLi+xe-放电,属尖晶石型结构,理论容量为:

148mAh/g,由于当X0.8时,材料结构发生变化,实际容量只有115mAh/g;,HYBjsbJMZ_,LiMn2O4正极活性物质,1.上限电压4.2V,下限电压3.0V,3.6V放电平台比率85%,2.100周循环容量率减5%,4、LiMn2O4主要电性能:

HYBjsbJMZ_,第一部分:

正极活性物质,三、Li（NiCoMn）O2正极活性物质,SEM图片,HYBjsbJMZ_,Li（NiCoMn）O2正极活性物质,1、Li（NiCoMn）O2工业化制备工艺:

NaOH水溶液,Ni2（SO4）3水溶液,共沉淀过滤,干燥粉碎,锂化球磨混合,烧结,批混,关键工序:

1.共沉淀（前躯体的合成）2.烧结,CoSO4水溶液,MnSO4水溶液,LiCO3碳酸锂,粉体处理,成品,HYBjsbJMZ_,Li（NiCoMn）O2正极活性物质,2、Li（NiCoMn）O2主要理化指标:

HYBjsbJMZ_,Li（NiCoMn）O2正极活性物质,3、Li（NiCoMn）O2主要优缺点:

优点Advantage:

a.成本低LowCostb.高比容量（与LiCoO2相当）Highcapacityc.工作电压与现有电解液匹配（4.1V）d.安全性好Goodsafetye.主要应用领域:

小型电池与动力电池,缺点Disadvantage:

a.电子导电性差，高倍率放电性能差b.压实性能差3.4g/cm3，且辊压时颗粒容易破碎（见下页图），容易产生孤岛效应，使循环性能变差（尤其内阻变化大）,HYBjsbJMZ_,Li（NiCoMn）O2正极活性物质,3、Li（NiCoMn）O2主要优缺点:

辊压时颗粒容易破碎,HYBjsbJMZ_,Li（NiCoMn）O2正极活性物质,4、Li（NiCoMn）O2主要电性能:

属-NaFeO2层状晶型结构,充电正极反应：

Li（NiCoMn）O2=Li1-x（NiCoMn）O2+xLi+xe-放电,Li（NiCoMn）O2与LiCoO2相比，Co位被M（即NiCoMn）所取代，Li（NiCoMn）O2实际容量与LiCoO2相当约为150mAh/g,HYBjsbJMZ_,Li（NiCoMn）O2正极活性物质,4、Li（NiCoMn）O2主要电性能:

1.上限电压4.2V,下限电压2.75V,3.6V放电平台比率50%,2.100周循环容量率减5%,HYBjsbJMZ_,第一部分:

正极活性物质,四、LiFePO4正极活性物质,SEM图片,HYBjsbJMZ_,LiFePO4正极活性物质,1、LiFePO4制备工艺:

FeC2O4,LiCO3,配混料Mixing,烧结Sintering,粉体处理（粉碎、分级）PowderTreatment,成品Finalproduct,关键工序:

烧结,500600,NH4H2PO4,碳,HYBjsbJMZ_,LiFePO4正极活性物质,2、LiFePO4主要理化指标:

HYBjsbJMZ_,LiFePO4正极活性物质,3、LiFePO4主要优缺点:

优点Advantage:

a.成本低LowCostb.材料环保无公害Environment-friendlyc.热稳定性好d.循环性能好e.安全性好Goodsafetyf.主要应用领域:

动力电池,缺点Disadvantage:

a.电子导电性差，高倍率放电性能差b.压实性能差2.3g/cm3,能量密度低c.比表面积大,配料以及涂布难度大,HYBjsbJMZ_,LiFePO4正极活性物质,4、LiFePO4主要电性能:

充电正极反应：

LiXFePO4=Li1-xFePO4+xLi+xe-放电,属橄榄石结构,理论容量为:

170mAh/g,但脱嵌锂时,产生LixFePO4与Li1-xFePO4两相界面,随锂的不断脱嵌,界面面积减小,当达到临界表面积时,锂通过界面时的行为不能再支持该电流,电化学行为受到扩散控制,所以LiFePO4的实际容量为140mAh/g,HYBjsbJMZ_,LiFePO4正极活性物质,4、LiFePO4主要电性能:

1.上限电压3.65V,下限电压2.65V,3.0V放电平台比率80%,2.1000周循环容量率减10%,HYBjsbJMZ_,第一部分:

正极活性物质,五、LiNioO2正极活性物质,SEM图片,HYBjsbJMZ_,1、LiNioO2工业化制备工艺:

LiNioO2正极活性物质,HYBjsbJMZ_,LiNioO2正极活性物质,2、LiNioO2主要理化指标:

HYBjsbJMZ_,LiNioO2正极活性物质,3、LiNioO2主要优缺点:

优点Advantage:

a.高比容量,180mAh/g,超出钴酸锂3050mAh/gb.较好的高低温性能c.资源成本低,生产成本依赖于生产规模d.主要应用领域:

高容量高功率电池,缺点Disadvantage:

a.制备相对困难b.热稳定和安全性偏差c.充放电循环时易与电解液反应产生气体d.循环寿命与储存性能有待改善e.压实性能差3.4g/cm3c.PH值偏大,对制程控制要求高,HYBjsbJMZ_,LiNioO2正极活性物质,4、LiNioO2主要电性能:

充电正极反应：

LiXNiCoO2=Li1-xNiCoO2+xLi+xe-放电,容量180mAh/g,HYBjsbJMZ_,LiNioO2正极活性物质,4、LiNioO2主要电性能:

1.上限电压4.2V,下限电压3.0V,3.6V放电平台比率40%,3.3V放电平台比率80%,2.100周循环容量率减10%,HYBjsbJMZ_,第一部分:

正极活性物质,小结:

正极材料性能对比:

HYBjsbJMZ_,第二部分:

负极活性物质,石墨负极,充电负极反应：

C6+Li+e=LiC6-放电,理论容量372mAh/g,但实际石墨都是多晶石墨,石墨化度100%,所以实际容量一般360mAh/g,石墨晶面层间距d002为0.336nm,而嵌锂后形成的锂-层化合物Li-GIC晶面层间距d002为0.37nm,故石墨达到最大嵌锂限度（即LiC6）时体积膨胀10%左右,也因存在充放电时的膨胀收缩,导致石墨晶面塌陷,导致循环容量衰减,HYBjsbJMZ_,石墨负极,一、产业化石墨负极材料的分类,产业化石墨负极,改性天然石墨,石墨表面氧化包覆,石墨球形化并氧化包覆,人造石墨及改性人造石墨,中间相碳微球,复合石墨,高纯人造石墨,HYBjsbJMZ_,石墨负极,二、改性天然石墨,天然石墨优点:

石墨化度高,比