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1、锂离子电池概况,锂离子电池的应用,锂离子电池的应用,锂离子电池的应用,锂电池:锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2，该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。现在锂电池已经成为了主流。,锂电池的定义,锂电池的定义,锂电池的定义,锂电池是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。而锂离子电池又可分为液态锂离子电池(LIB
2、)、聚合物锂离子电池(PLIB)两大类。,聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，正极材料可分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂材料，负极为石墨，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同，液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。,LIB与PLIB,Diagram,在较厚的规格上，液态锂电供应链成熟、工艺成熟、生产效率高、成品率高、有很强的制造成本优势。越厚越好生产，成本越低。,PLIB,LIB,优缺点,安全性能好、完全没有记忆
3、效应、设计灵活、重量轻、容量大、内阻小、循环寿命长、更环保、放电特性好，但价格高,LIB与PLIB,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,Li,充电,放电,正极（层状复合氧化物）,负极（石墨）,正极,负极,总反应,锂离子电池的工作原理,在正极中（以LiCiO2为例），Li+和Co3+各自位于立方紧密堆积氧层中交替的八面体位置。充电时，Li+从八面体位置发生脱嵌，释放一个电子，Co3+氧化为Co4+。放电时，Li+嵌入到八面体位置，得到一个电子，Co4+还原为Co3+。,在负极中，当锂插入到石墨结构后，石墨结构与此同时得到一个电子。
4、电子位于石墨的墨片分子平面上，与锂离子之间发生一定的静电作用，因此，锂在负极中的原子大小比正极中的要大。,锂离子电池的工作原理,Contents,能量密度高、平均输出电压高、输出功率大,自放电小、无记忆效应、循环性能优越,可快速充放电、充电效率高、工作温度范围宽,残留容量的测试比较方便、无需维修,对环境较为“友好”，称为绿色电池,锂离子电池的优点,成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格高，随着正极技术的不断发展，采用LiMn2O4、LiFePO4等为正极材料，有望大大降低成本,必须有特殊的保护电路，以防过充过放,与普通电池的相容性差，一般要在用3节普通电池（3.6V）的情况下才能用锂离子电池
5、替代,锂离子电池的缺点,锂离子电池的缺点,全球锂离子电池产值和产量的发展趋势,锂离子电池,正极,负极,隔膜,电解液,锂离子电池的体系结构,Click to edit title style,5%,15%,20%,20%,40%,其他,电解液,隔膜,负极材料,正极材料,锂离子电池材料成本,评估锂离子电池正极材料的标准：较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压；锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容量结构变化尽可能小，以保证电池良好的循环性能。氧化还原电位变化小，以保证电池平稳的充电和放电。较高的电导率，能使电池大电流的充电和放电。不与电解质等发生化学反应。锂离子在电
6、极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电。价格便宜，对环境无污染。易合成，便于产业化。,锂离子电池正极材料,LiNiO2,LiCoO2,LiMn2O4,三元复合材料,LiFePO4,锂离子电池正极材料,层状结构，结构稳定。理想情况下，Li+和Co3+各自位于立方密堆氧层中交替的八面体位置，实际有所偏移，呈现三方对称性(R3m)。锂离子从LiCoO2中可逆脱嵌量最多为0.5单元，Li1-xCoO2在x=0.5时，发生可逆相变，从三方对称性转变为单斜对称性。0 x0.5，理论容量在156mAh/g.LiCoO2循环性能较优越,LiCoO2经长期循环后，从层状结构转变为立方尖晶石结构，抑制
7、LiCoO2的电化学性能。导致不可逆容量和极化增加，动力学过程减慢，位错数量和内部应力增加抑制LiCoO2的电化学性能 钴的自然资源有限，价格昂贵。降低氧化钴锂的成本，提高在较高温度(65 C)下的循环性能和增加可逆容量也是目前研究方向之一。,LiCoO2,Ni资源丰富，价格便宜。LiNiO2实际容量可达190210mAh/g，明显高于LiCoO2.当Li1-xNiO2中x0.5时，能保持结构的完整性无污染，和多种电解液有良好的相容性,LiNiO2制备困难，要求富氧气氛，工艺条件要求高结构稳定性不佳，当x0.5时，充放电过程中的不可逆相变，严重制约其性能和使用寿命热稳定性差，易产生安全问题,L
8、iNiO2,Mn资源丰富，价格比Ni更便宜，无毒，无污染小。尖晶石结构，四方对称性。两个电压平台：4V和3V。前者对应锂从四面体8a位置发生脱嵌，此时能保持尖晶石结构的立方对称性。,3V时的反应对应于锂嵌入到空的八面体16c位置，此时存在立方体LiMn2O4和四面体Li2Mn2O4之间的相转变 Mn氧化态的变化导致姜-泰勒效应，结构破坏，容量衰减。LiNiO2制备困难，要求富氧气氛，工艺条件要求高 电导率较低，也有待提高 改性主要掺杂阳离子和阴离子、表面处理、溶胶-凝胶法合成。,LiMn2O4,便宜，对环境无毒（毒性明显低于前面三种材料）。可逆性好，其中大阴离子可稳定结构，防止铁离子的溶解。理
9、论容量较高，170mAh/g，电压平台约3.45V。LiFePO4 的空间群为Pbnm，锂脱嵌后，生成相似结构FePO4，脱锂后晶胞体积减少，对于以碳材料为负极组成的锂离子电池而言，有利于减少充放电过程中电池的体积变化具有优良的热性能。,氧离子的分布近乎密堆六方形，锂离子移动的自由体积小，室温下电流密度不能大。电子导电性差，大电流性能不理想，主要通过加入导电性物质和掺杂改性。,LiFePO4,Ni、Mn的复合，得到高的比容量，更稳定的结构和良好的热力学稳定性以及更好的循环性能。Co的加入改善合成条件，增加了电导率和热力学稳定性。锂离子占据岩盐结构的3a位，过渡金属离子占据3b位，氧离子占据6c位，其中镍、钴、锰的化合价分别为+2、+3、+4价。在充放电过程中没有姜-泰勒效应，Mn+4 提供稳定的母体，能解决循环和储存稳定性问题，不会出现层状结构向尖晶石结构的转变。它既具有层状结较高容量的特点，又保持层状结构的稳定性。具有良好的安全性能，是未来替代LiCoO2的理想材料之一,三元复合材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,几种主要正极材料的电化学性能参数,锂离子电池负极材料,Thank You!,
