锂离子电池材料基础知识-ppt课件.ppt
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1、 锂离子电池材料基础知识锂离子电池材料基础知识1PPT课件锂离子电池工作原理示意图锂离子电池工作原理示意图2PPT课件电极材料的结构特征电极材料的结构特征作为二次电池的电极材料, 这些化合物都涉及到客体(Guest, 如Li+)在主体晶格(Host, 如C、Li1-xMO2)中的嵌入/脱出量以及主体的可逆脱嵌性能(即二次电池的容量与循环寿命), 这些性能与主体材料的结构及脱嵌过程中的结构变化密切相关, 其中最重要的结构特征就是主体材料要有一定程度的结构开放性, 能允许外来的原子或离子易于扩散进入或迁出晶体。3PPT课件4PPT课件 几种主要正极材料性能比较几种主要正极材料性能比较5PPT课件理
2、论容量的计算(以石墨为例)满充电时:C6LiGIC 的理论容量为372mAh/g LiC6 6C + Li+ + e- 6个C原子能放出1个电子 6molC原子能放出1mol电子 6molC原子的质量=6*12=72g 1mol电子电量= 1.60217733*10-19 C *6.0221367*1023 = 96485.309C =96485.309/3600Ah =26.80174Ah = 26802mAh (remark:1eV=1.602x10-19库仑x1伏特;阿伏伽 德罗常数 = 6.0221367*1023 ) 石墨的克容量= 26802mAh/ 72g =372mAh/ g
3、实际材料容量280370mAh/ g同理可算Li2CoO2/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O26PPT课件内容提要内容提要n正极材料的结构及电化学特征;n正极材料的制备及改性方法.7PPT课件正极材料应具备的特性正极材料应具备的特性 1) 具备低Fermi能级和低锂离子位能,可提供高的电池电压; 2) 单位质量的材料能允许尽可能多的锂离子进行可逆脱嵌, 可提供高的电池容量; 3) 锂离子在材料中的化学扩散系数高,具有快速充放电能力; 4) 在整个锂离子的脱嵌过程中,材料的主体结构和体积变化小, 保证有良好的可逆性; 5) 良好的电子电导率; 6) 在整个电压范围内与电解液间具有良好的化学以
4、及热稳定性; 7) 制备方法简便,成本低廉,且对环境无污染。8PPT课件 -NaFeO2型二维层状结构; 六方晶系, 氧原子呈立方密堆积; 约0.55 Li+ 能可逆脱嵌(140 mAh/g); 合成工艺简单,电化学性质稳定; 钴资源相对贫乏,价格较高 相变 电解液氧化分解 晶格失氧LiCoO2的结构及电化学特征的结构及电化学特征9LiNiO2的结构及电化学特征的结构及电化学特征-NaFeO2型二维层状结构; 六方晶系, 氧原子呈立方密堆积; 首次充电比容量200mAh/g; Ni2+ Ni+, 难于合成化学计量比产物; 结构稳定性;安全性较差(电解液氧化分解、热稳定性)10PPT课件LiMn
5、2O4的结构及电化学特征的结构及电化学特征立方尖晶石结构氧原子呈立方密堆积排列(32e)三维锂离子扩散通道热稳定性高, 耐过充性好, 放电电压平台高Mn资源丰富, 成本低, 合成工艺简单高温循环与储存性能较差Mn的溶解电解液的氧化高电压下两相结构的不稳定Jahn-Teller 效应(立方 四方)11PPT课件LiFePO4的结构及电化学特征的结构及电化学特征二维橄榄石结构, 正交晶系结构稳定性与热稳定性高材料成本低电导率低电子导电性锂离子在LiFePO4/FePO4两相区的扩散12PPT课件正极材料制备方法正极材料制备方法高温固相法高温固相法 700 ,反应温度高、时间长,产物结构不均一。低温
6、合成法低温合成法: 400700 ,合成温度低、颗粒尺寸小、粒径分布窄、均一性好。共沉淀法溶胶-凝胶法Pechini法喷雾干燥法机械化学法微波合成法13PPT课件正极材料的掺杂与修饰正极材料的掺杂与修饰掺杂对材料研究的意义掺杂对材料研究的意义提高结构稳定性提高热稳定改善循环性能开发新材料14PPT课件掺杂引起材料变化的原因:掺杂引起材料变化的原因:增强的M-O键掺杂元素的活性与非活性掺杂导致的元素价态分布的改变掺杂对材料的不利影响:掺杂对材料的不利影响:比容量降低非活性元素掺杂倍率特性恶化制备工艺复杂化正极材料的掺杂与修饰正极材料的掺杂与修饰15PPT课件掺杂在不同材料中的应用掺杂在不同材料中
7、的应用1、掺杂在掺杂在LiCoO2中的应用中的应用Mg电导与倍率性能的矛盾Al电压的提高Mn倍率特性提高?B循环性能改善2、掺杂在掺杂在LiNiO2中的应用中的应用Co制备,循环性,第一周效率,热稳定性Al热稳定性与结构稳定性Ti与Mg热稳定性16PPT课件3、掺杂在掺杂在LiMn2O4中的应用中的应用Li改善循环性Cr, Co结构稳定性与高温循环性Al结构稳定性与高温循环性4、掺杂在掺杂在LiNi1-xCoxO2中的应用中的应用Al热稳定性与循环稳定性Mg循环性5、掺杂在掺杂在LiFePO4中的应用中的应用 ?锂位的掺杂提高材料的电导率掺杂在不同材料中的应用掺杂在不同材料中的应用17PPT课
8、件正极材料的表面修饰正极材料的表面修饰分类:分类:电极的表面修饰材料颗粒表面的修饰表面修饰对材料研究的意义:表面修饰对材料研究的意义:改善材料的电化学循环性能提高材料在高电压下的结构稳定性改善材料的热稳定性18PPT课件改善机理:改善机理:形成了表面类掺杂,同时改变表面与体相性质 无机颗粒表面掺杂抑制电解液在材料颗粒表面的氧化分解抑制相变阻止氧的析出修饰材料:修饰材料:无机氧化物:Al2O3,SnO2,TiO2,ZrO2,ZnO,MgO,SiO2无机盐: Li2CO3,LiCoO2,LiNi0.5Co0.5O2,LiAlO2。各种类型碳材料修饰基体:修饰基体: LiMn2O4,LiCoO2,L
9、iFePO4,LiNiO2 ,LiNi0.5Mn1.5O4 正极材料的表面修饰正极材料的表面修饰19PPT课件新一代锂离子电池的发展对正极材料的要求新一代锂离子电池的发展对正极材料的要求1、高性能小型锂离子电池:需要高比容量高比容量的正极材料,LiCoO2只有140mAh/g比容量显然不能够满足其发展要求2、大容量动力型锂离子电池:需要低成本,低成本,耐过充性与热稳定性高耐过充性与热稳定性高的正极材料,提高其安全性能20PPT课件21PPT课件锂电选取负极材料原则 负极材料选取原则比能量高;相对锂电极的电极电位尽可能低;充放电过程的可逆性好;良好的表面结构,与电解液形成良好的SEI膜;插入/脱
10、嵌过程中,材料结构尺寸和机械稳定性好,确保良好的循环性能;插入化合物具有较好的电子电导和离子电导性,减少极化;锂离子在材料中有较大的扩散系数,便于快速充放电;资源丰富,价格低廉;在空气中稳定、无毒副作用。22PPT课件负极材料种类锂离子用负极材料分类锂离子用负极材料分类: 碳素材料/非碳负极材料/纳米负极材料23石 墨石墨是锂离子电池中常用的负极材料石墨主要包括: 天然石墨 人造石墨什么是石墨?1)石墨具有层状结构,片层之间通过 范德华力结合;2) 石墨的基面( basal plane)和端面( edge plane)的性能不同;24PPT课件石墨的结构石墨存在两种晶体结构石墨存在两种晶体结构
11、:六方形结构(ABAB-方式)菱形结构(ABCABC-方式)石墨晶体的主要参数:La、Lc、d00225石墨材料的充放电 在锂插入石墨中,充放电电压比较平稳,锂离子可逆插入石墨层间的反应主要在0.2V以下,在0.2V、0.12V、0.08V这3个电位附近有明显的锂插入平台。四阶二阶(LiC10&LiC12)一阶(LiC6)三阶26PPT课件石墨与电解液的兼容性E8 electrolyte0.00.51.01.52.02.50100200300400500600Capacity(mAh/g)Voltage(V)1st charge1st discharge2nd charge2nd discha
12、rge石墨在E8(含PC)电解液中的剥离E2 electrolyte0.00.51.01.52.02.50100200300400500Capacity(mAh/g)Voltage(V)1st charge1st discharge在E2电解液中没有剥离电解液的选择对于材料的电化电解液的选择对于材料的电化学性能影响非常的显著!学性能影响非常的显著!Graphite, Lot.MGS-051203造成大的不可逆容量27PPT课件不兼容现象分为:PC不兼容 EC不兼容不兼容现象SEM电解液的选择对于材料的电化电解液的选择对于材料的电化学性能影响非常的显著!学性能影响非常的显著!石墨与电解液的兼容性
13、C apac ity retention(% ) vs . C yc le 1C /1C60%65%70%75%80%85%90%95%100%105%110%02004006008001000C yc le_IndexFading(%)Graphite/LiCoO228软碳和硬碳软碳即易石墨化碳,是指在2500以上的高温下能石墨化的无定形碳。软碳的结晶度(即石墨化度)低,晶粒尺寸小,晶面间距(d002)较大,与电解液的相容性好,但首次充放电的不可逆容量较高,输出电压较低,无明显的充放电平台电位。常见的软碳有石油焦、针状焦、碳纤维、碳微球等硬碳是指难石墨化碳,是高分子聚合物的热解碳,这类碳在2
14、500以上的高温也难以石墨化。常见的硬碳有树脂碳(如酚醛树脂、环氧树脂、聚糠醇 PFA-C等)0204060801000100200300110004100002焦炭1500处 理CPSScattering angle 2 / 010203040506070050100150200Intensity I/CPS2 /( )102030405060708040060080010001200110103004101100002CPSScattering angle 2 / 石墨软碳硬碳29PPT课件硬碳Temp.1st charge/mAh/g1st discharge/mAh/g1st effi
15、ciency/%RT278.7224.880.7%30不同碳材料结构比较ItemHard carbonSoft carbonGraphiteStructureTEMRaw materialPlant, macromolecule materialMacromolecule materialMacromolecule material, natural graphite面间距d(002) (nm)0.37-0.380.34-0.350.335-0.34结晶度Lc (nm)1.1-1.22-20Larger than 80 nmMaterial density (g/cm3)1.50-1.601.
16、80-2.102.20-2.26Electrode density (g/cm3)0.9-1.01.1-1.31.5-1.831ATL常用石墨人造石墨:石墨化炭(如沥青焦炭)在N2气氛中于19002800经高温石墨化处理制得,如MCMB和石墨纤维等ATL PNMD-APG-002-1004MD-APG-014-1482MD-APG-015-1004MD-APG-039-1004SourceCMSS23FA2Physical Particle Size (D10)(m)8.411.06.79.1 Particle Size (D50)(m)14.521.314.520.2 Particle Si
17、ze (D90)(m)23.839.128.940.1 BET (m2/g)1.133.991.233.11 Tap density(g/cm3)1.400.991.100.75 ChemicalDischarge capacity(mAh/g) 301.0333.9346.0357.8 First Efficiency(%) 88.5 86.1 90.4 83.1 32ATL常用石墨天然石墨:自然界中存在的石墨材料,进行修饰、包覆等 ATL PNMD-APG-016-1482MD-APG-025-1482Source818AMG18MPhysical Particle Size (D10)(
18、m)10.88.4 Particle Size (D50)(m)18.017.5 Particle Size (D90)(m)29.833.4 BET (m2/g)1.392.04Tap density(g/cm3)1.091.03ChemicalDischarge capacity(mAh/g) 363.7 362.6 First Efficiency(%)89.4%88.6%33钛的氧化物(Li4Ti5O12)尖晶石结构导电性能差 (10-13 S/cm)电位高(vs.Li)通常采用固相法制备优点: 锂离子的插入/脱插过程中晶体的结构稳定性好; 优良的循环性能和放电电压平台 电位高(1.5
19、6V),避免电解液分解和界面保护膜的生成 原材料来源丰富(TiO2,Li2CO3,LiOH或其他锂盐)34PPT课件锂钛氧材料(Li4Ti5O12)StrengthWeaknessExcellent safety featureLow energy densityLong cycle lifeLow voltageAlmost no volume changeHigh rate capabilityWide temperature windowVolume change LTO 0.2% vs.Graphite 9% Long cycle lifeNo SEI passivation laye
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