《锂离子电池纳米材料》.pptx

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锂离子离子电池池纳米材料米材料锂离子电池基本概念正极材料负极材料电解质材料隔膜材料内内容容锂与过渡金属的锂与过渡金属的复合氧化物复合氧化物锂离子离子电池的池的产生生锂离子电池锂离子电池比能量比能量电压电压电压电压负极负极负极负极层状结构的石墨层状结构的石墨120-150Wh/kg是普通镍镉电池是普通镍镉电池的的2-3倍倍高达高达3.6V正极正极20世纪世纪80年代末，日本年代末，日本Sony公司公司提出者锂离子离子电池区池区别于于锂电池池早期早期的的锂电池池锂离子离子电池池（Li-ionBatteries）是是锂电池池发展而来。

所以在展而来。

所以在介介绍之前，先介之前，先介绍锂电池。

池。

举例来例来讲，以前照相机里用的扣，以前照相机里用的扣式式电池就属于池就属于锂电池。

池。

锂电池的正极材料是二氧化池的正极材料是二氧化锰或或亚硫硫酰氯，负极是极是锂。

电池池组装完成后装完成后电池即有池即有电压,不需充不需充电。

这种种电池也可以充池也可以充电,但循但循环性能不好，在充放性能不好，在充放电循循环过程中程中,容易形成容易形成锂结晶，造成晶，造成电池内部短路池内部短路,所以一般情况下所以一般情况下这种种电池是禁止充池是禁止充电的。

的。

摇椅式椅式电池池2020世世纪8080年代初，年代初，M.B.ArmondM.B.Armond首次提出用嵌首次提出用嵌锂化合物代替二次化合物代替二次锂电池中金池中金属属锂负极的构想。

在新的系极的构想。

在新的系统中，正极和中，正极和负极材料均采用极材料均采用锂离子嵌入离子嵌入/脱嵌材脱嵌材料。

料。

在在锂离子离子电池的充放池的充放电过程中，程中，锂离子离子处于从正极于从正极负极极正极的运正极的运动状状态。

这就像一把就像一把摇椅，椅，摇椅的两端椅的两端为电池的两极，而池的两极，而锂离子就在离子就在摇椅两端来椅两端来回运回运动。

人。

人们把把这种种电化学化学储能体系形象地称能体系形象地称为“摇椅式椅式电池池”（Rocking-Rocking-chairCellchairCell）。

锂离子离子电池特点池特点与与镍镉（Ni/Cd）、）、镍氢（Ni/MH）电池相比，池相比，锂离子离子电池的主要特点如池的主要特点如下：

下：

镍镉电池镍镉电池镍氢电池镍氢电池铅酸电池铅酸电池锂离子锂离子电池电池聚合物锂聚合物锂离子电池离子电池重量能量密度重量能量密度（Wh/kgWh/kg）45-8045-8060-12060-12030-5030-50110-160110-160100-130100-130循环寿命循环寿命（至初始容量（至初始容量80%80%）15001500300-500300-500200-300200-300500-2000500-2000300-500300-500单体额定电压单体额定电压（V）（V）1.251.251.251.25223.63.63.63.6过充承受能力过充承受能力中等中等低低高高非常低非常低低低月自放电率月自放电率（室温）（室温）20%20%30%30%5%5%10%10%10%10%锂离子电池锂离子电池优点优点无环境污染，绿色电池无环境污染，绿色电池输出电压高输出电压高能量密度高能量密度高安全，循环性好安全，循环性好自放电率小自放电率小快速充放电快速充放电充电效率高充电效率高锂离子离子电池工作原理池工作原理锂离子电池工作原理图schematicrepresentationandoperationprincipleofrechargeablelithiumionbatteryu电池内阻池内阻电池池内阻是指内阻是指电池在工作池在工作时，电流流流流过电池内部所受到的阻力。

有欧姆内阻池内部所受到的阻力。

有欧姆内阻与极化内阻两部分与极化内阻两部分组成。

成。

电池内阻池内阻值大，会大，会导致致电池放池放电工作工作电压降低，放降低，放电时间缩短。

内阻大小主要受短。

内阻大小主要受电池的材料、制造工池的材料、制造工艺、电池池结构等因素的影响。

构等因素的影响。

电池池内阻是衡量内阻是衡量电池性能的一个重要参数。

池性能的一个重要参数。

锂离子电池性能参数指标锂离子电池性能参数指标u电池的容量电池的容量电池电池的容量有额定容量和实际容量的容量有额定容量和实际容量之分。

锂离子电池规定在常温、恒流之分。

锂离子电池规定在常温、恒流（1C）（1C）、恒压、恒压（4.2V）（4.2V）控制的充电条件下，控制的充电条件下，充电充电3h3h、再以、再以0.2C0.2C放电至放电至2.75V2.75V时，所时，所放出的电量为其额定容量。

放出的电量为其额定容量。

电池的实电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和温放出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。

明充放电条件）。

容量容量单位：

单位：

mAhmAh、Ah（1Ah=1000Ah（1Ah=1000mAhmAh）。

u工作电压工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。

在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服极之间的电势差。

在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。

电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。

锂离子电池的放电工作电压在锂离子电池的放电工作电压在3.6V3.6V左右。

左右。

u开路电压和工作电压开路电压和工作电压开路电压开路电压是指电池在非工是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。

时，电池正负极之间的电势差。

一般情况下，锂离子电池充满一般情况下，锂离子电池充满电后开路电压为电后开路电压为4.14.14.2V4.2V左左右，放电后开路电压为右，放电后开路电压为3.0V3.0V左左右。

通过对电池的开路电压的右。

通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状检测，可以判断电池的荷电状态。

态。

u放放电平台平台时间放放电平台平台时间是指在是指在电池池满电情况下放情况下放电至某至某电压的放的放电时间。

例。

例对某三元某三元电池池测量其量其3.6V3.6V的放的放电平台平台时间，以恒，以恒压充到充到电压为4.2V4.2V，并且充，并且充电电流小于流小于0.02C0.02C时停止充停止充电即充即充满电后，然后后，然后搁置置1010分分钟，在任何倍率的放，在任何倍率的放电电流下放流下放电至至3.6V3.6V时的放的放电时间即即为该电流下的放流下的放电平台平台时间。

因某些使用因某些使用锂离子离子电池的用池的用电器的工作器的工作电压都有都有电压要要求，如果低于要求求，如果低于要求值，则会出会出现无法工作的情况。

所以放无法工作的情况。

所以放电平台是衡量平台是衡量电池性能好坏的重要池性能好坏的重要标准之一。

准之一。

u充放充放电倍率倍率充放充放电倍率是指倍率是指电池在池在规定的定的时间内放出其内放出其额定容量定容量时所需要的所需要的电流流值，1C1C在数在数值上等于上等于电池池额定容量，定容量，通常以字母通常以字母CC表示。

如表示。

如电池的池的标称称额定定容量容量为10Ah10Ah，则10A10A为1C1C（11倍率），倍率），5A5A则为0.5C0.5C，100A100A为10C10C，以此，以此类推。

推。

u自放自放电率率自放自放电率又称荷率又称荷电保持能力，是保持能力，是指指电池在开路状池在开路状态下，下，电池所池所储存的存的电量在一定条件下的保持能力。

主要量在一定条件下的保持能力。

主要受受电池的制造工池的制造工艺、材料、材料、储存条件存条件等因素的影响。

是衡量等因素的影响。

是衡量电池性能的重池性能的重要参数。

要参数。

u充充电效率和放效率和放电效率效率充充电效率是指效率是指电池在充池在充电过程中所消耗的程中所消耗的电能能转化成化成电池所能池所能储存存的化学能程度的量度。

主要受的化学能程度的量度。

主要受电池工池工艺，配方及，配方及电池的工作池的工作环境温度影境温度影响，一般响，一般环境温度越高，境温度越高，则充充电效率要低。

效率要低。

放放电效率是指在一定的放效率是指在一定的放电条件下放条件下放电至至终点点电压所放出的所放出的实际电量与量与电池的池的额定容量之比，主要受放定容量之比，主要受放电倍率，倍率，环境温度，内阻等因素影境温度，内阻等因素影响，一般情况下，放响，一般情况下，放电倍率越高，倍率越高，则放放电效率越低。

温度越低，放效率越低。

温度越低，放电效效率越低。

率越低。

u循环寿命循环寿命电池电池循环寿命是指电池容量下降到循环寿命是指电池容量下降到某一规定的值时，电池在某一充放电制某一规定的值时，电池在某一充放电制度下所经历的充放电次数。

锂离子电池度下所经历的充放电次数。

锂离子电池GBGB规定，规定，1C1C条件下电池循环条件下电池循环500500次后容量次后容量保持率在保持率在60%60%以上。

以上。

锂离子电池锂离子电池的主要组成部分的主要组成部分正极材料正极材料负极材料负极材料隔膜隔膜电解液电解液外壳外壳锂离子离子电池主要池主要组分常分常见材料材料二次锂电池正负极材料电压二次锂电池正负极材料电压-容量分布图容量分布图Voltageversuscapacityforpositive-andnegative-electrodematerialspresentlyusedorunderseriousconsiderationsforthenextgenerationofrechargeableLi-basedcells.能量越高，能量越高，电动车续航里程越航里程越远功率越高，功率越高，电动车加速、爬坡性能越加速、爬坡性能越好好电动车的安全性的的安全性的决定因素决定因素循循环性越好，性越好，电动车寿命越寿命越长比能量高比能量高比功率大比功率大自放电少自放电少价格低廉价格低廉使用寿命长使用寿命长安全性好安全性好锂离子离子电池正极材料的要求池正极材料的要求正极材料理正极材料理论电容量容量计算算1mol正极材料正极材料Li离子完全脱嵌离子完全脱嵌时转移的移的电量量为96500C（96500C/mol是法拉第常数）是法拉第常数）由由单位知位知mAh/g指每克指每克电极材料理极材料理论上放出的上放出的电量：

量：

1mAh1（103）安培）安培360秒秒3.6C以磷酸以磷酸锂铁电池池LiFePO4为例：

例：

LiFePO4的分子量是的分子量是157.756g/mol,所以他的理所以他的理论电容量是容量是96500/157.756/3.6=170mAh/g磷酸铁锂磷酸铁锂锰酸锂锰酸锂钴酸锂钴酸锂镍酸锂镍酸锂镍钴锰三元材料镍钴锰三元材料材料主成分材料主成分LiFePO4LiMn2O4LiMnO2LiCoO2LiNiO2LiNiCoMnO2理论能量密理论能量密度度（mAh/g）170148286274274278实际能量密实际能量密度度（mAh/g）130-140100-120200135-140190-210155-165电压（电压（V）3.2-3.73.8-3.93.4-4.33.62.5-4.13.0-4.5循环性（次）循环性（次）2000500差差300差差800过渡金属过渡金属非常丰富非常丰富丰富丰富丰富丰富贫乏贫乏丰富丰富贫乏贫乏环保性环保性无毒无毒无毒无毒无毒无毒钴有放射性钴有放射性镍有毒镍有毒钴、镍有毒钴、镍有毒安全性能安全性能好好良好良好良好良好差差差差尚好尚好适用温度适用温度（）-207550快快速衰减速衰减高温不高温不稳定稳定-2055N/A-2055常见正极材料及其性能比较常见正极材料及其性能比较正极材料容量和电压关系图正极材料容量和电压关系图引入钴稳定其二维层状结构价格低廉放电比容量低高温性能不佳二价锰溶于电解液比容量高放电倍率佳安全性好成本低容量高价格