高中化学-认识你所不清楚的锂电池课件.ppt
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1、能源能源、材料材料和和信息信息是人类社会生存与发展的三大是人类社会生存与发展的三大支柱,其中能源与人类社会的生存与发展密切相支柱,其中能源与人类社会的生存与发展密切相关。人类社会要实现可持续发展战略,必须发展关。人类社会要实现可持续发展战略,必须发展新材料和新能源技术,保护自然环境与自然资源。新材料和新能源技术,保护自然环境与自然资源。而开发清洁可再生的新能源是今后世界经济中最而开发清洁可再生的新能源是今后世界经济中最具决定性影响的技术领域之一。具决定性影响的技术领域之一。电池电池作为一种将化学能直接转变为电能的装置,在国民作为一种将化学能直接转变为电能的装置,在国民经济和国防工业中的地位十分
2、重要。近年来,电子技术经济和国防工业中的地位十分重要。近年来,电子技术的不断发展,使得电子仪器设备不断向着小型化、轻量的不断发展,使得电子仪器设备不断向着小型化、轻量化和高性能的方向快速发展,传统的铅酸电池、镍镉电化和高性能的方向快速发展,传统的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等,因能量密度较低,环境污染等问题已池、镍氢电池等,因能量密度较低,环境污染等问题已不能很好地满足市场的需求。不能很好地满足市场的需求。锂离子电池正是为适应这锂离子电池正是为适应这种需求趋势而诞生的时代产物。种需求趋势而诞生的时代产物。锂电池分类&定义 锂电池历史发展 锂电池反应原理 应用材料&聚合物电池 电池的制作过程 锂
3、电池的安全性 电池寿命的相关知识锂电池锂电池金属锂电池(一次性)锂离子电池(可充电)液体锂离子电池锂聚合物电池 锂电池(Lithium battery)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。锂金属电池通常是不可充电的,且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。锂金属电池: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 锂离子电池:指以两种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系A.高能量密度锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半,体积
4、是镍镉的20-30%,镍氢的35-50%。B.高电压一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值),相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。C.无污染锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。D.不含金属锂锂离子电池不含金属锂,因而受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制较小。E.高低温适应性强可以在-20-60的环境下使用,经过工艺上的处理,可以在-45环境下使用E.循环寿命高在正常条件下,锂离子电池的充放电周期可超过500次,磷酸亚铁锂(以下称磷铁)则可以达到2000次。F.无记忆效应记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中,电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。G.快速充
5、电使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器,可以使锂离子电池在1.5-2.5个小时内就充满电;而新开发的磷铁锂电,已经可以在35分钟内充满电。H.自放电率很低这是该电池最突出的优越性之一,目前一般可做到1%/月以下,不到镍氢电池的1/20最早发现的锂电池的是伟大发明家爱迪生,使用以下反应:Li+MnO2=LiMnO2(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。1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。1980年M.Armand等人首先提出用嵌锂
6、化合物来代替二次锂电池中的金属锂负极,并提出“摇椅式电池”(rocking chair battery)的概念1982年伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,此过程是快速的,并且可逆。与此同时,采用金属锂制成的锂电池,其安全隐患备受关注,因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的
7、危险。1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。1990年日本索尼(Sony)公司研制出以石油焦为负极、LiCoO2为正极的锂离子二次电池。1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸锂铁(LiFePO4),比传统的正极材料更具优越性,因此已成为当前主流的正极材料。锂-二氧化锰电池(CR)以金属锂为负极,以经过热处理的二氧化锰为正极,隔离膜采用PP或PE膜,圆柱型电池与锂离子电池隔膜一样,电解液为高氯酸锂的有机溶液,圆柱
8、式或扣式。特点:额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍);终止放电电压为2V;比能量大(金属锂的理论克容量为3074mAh);放电电压稳定可靠;有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率10);工作温度范围2060一般在台式电脑的主板上,有一个扣式的锂电池,提供微弱的电流,可以正常使用3年左右,锂-亚硫酰氯电池以金属锂为负极,正极和电解液为亚硫酰氯(氯化亚砜),圆柱式电池,装配完成即有电,电压3.6V,是工作电压最平稳的电池种类之一,也是目前单位体积(质量)容量最高的电池。适合在不能经常维护的电子仪器设备上使用,提供细微的电流。其他锂电池还有锂-硫化亚铁电池、锂-二氧化硫电池等
9、。+21-2LiCoOLi CoO +Li +exxx+66C+Li +eLi C xxx 261-26C+LiCoOLi C +Li CoOxx正极 负极 电池 小型电池:手机电池、笔记本电脑电池等大型电池:电动自行车、电动摩托车、混合动力汽车、电动汽车等其它:人造卫星、航空航天和储能方面 随着国家对铅酸电池的政策影响,锂离子电池的应用范围会越来越广 锂离子电池由正极、负极、电解质及隔膜组成。锂离子电池由正极、负极、电解质及隔膜组成。目前正极材料:钴酸锂(目前正极材料:钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂)、锰酸锂(LiMn2O4),镍酸锂,镍酸锂(LiNiO2)新开发的磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂(
10、新开发的磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂(LiFePO4,简称,简称LFP)材料作)材料作电池正极的锂离子电池,它是锂离子电池家族的新成员。电池正极的锂离子电池,它是锂离子电池家族的新成员。电池的应用材料对锂离子正负极材料的要求:1.具有层状或隧道的晶体结构,以利于锂离子的嵌入和脱出,该晶体结构牢固,在充放电电压范围内的稳定性好,使电极具有良好的充放可逆性,以保证锂离子电池的循环寿命;2.充放电过程中,应有尽可能多的锂离子嵌入和脱出,使电极具有较高的电化学容量;4.在锂离子进行嵌脱时,电极反应的自由能变化应较小,以使电池有较平稳的充放电电压,以利于锂离子电池的广泛应用;5.锂离子应有较大的扩散系数,以
11、减少极化造成的能量损耗,保证电池有较好的快充放电性能;6.分子量小,提高重量能量密度;摩尔体积小,提高体积能量密度.lLiCoO2正极材料正极材料 二维层状结构 锂离子电导率高,扩散系数10-910-7cm/s 充电上限电压4.3V,高于此电压基本结构会发生改变 制备方法 固相合成法+21-2LiCoOLi CoO +Li +exxx(0 x0.5)23322Li CO +2CoCO =2LiCoO +3CO LiNiO2正极材料 与LiCoO2相比,LiNiO2具有的优势 制备困难:制备电化学性能良好且具有化学计量结构的LiNiO2条件非常苛刻 制备的LiNiO2一般表示为Li2xNi2-2
12、xO2,x在0.30.5范围内变化 改性主要有掺杂和包覆处理,较为成功的是Co的掺杂锂锰氧化物正极材料 Mn资源非常丰富、无毒、价廉;锂锰氧化物是最有希望取代锂钴氧化物的正极活性物质 1.尖晶石型LixMn2O4 立方结构 当1 160mAh/g,3C大电流下放电比容量 130 mAh/g,其在原料来源、成本、环保和化学稳定性方面也都令人满意。影响材料的最主要因素是LiFePO4室温下的低电导率 LiFePO4同几种常见正极材料的性能比较电池的应用材料电池的应用材料LiFePO4电池在充电时,电池在充电时,正极中的锂离子正极中的锂离子Li+通过聚通过聚合物隔膜向负极迁移;在合物隔膜向负极迁移;
13、在放电过程中,负极中的锂放电过程中,负极中的锂离子离子Li+通过隔膜向正极迁通过隔膜向正极迁移。移。NH4FePO4N2气保护连续推板炉LiFePO4N2研磨混合废气控制温度、走料量、N2Li2CO3N2气保护连续转管炉催化剂废气一步法生产LiFePO4工艺流程图电池的应用材料碳负极材料碳负极材料典型的石墨化负极材料有石墨化中间相微珠、天然石墨和石墨化碳纤维电池的应用材料理论容量372mAh/g,电位基本与金属锂接近.不可逆容量低,首次充电效率高,且价格低廉。固体电解质层(SEI)对于所有的碳材料,在锂嵌入石墨层间时,电解质溶液中的有机溶剂和锂盐均可能从电极得到电子,发生还原反应,在电极表面形
14、成对电子绝缘而对离子导电的固体电解质层(SEI).其主要组成为Li2CO3、ROCO2Li(烷基酯锂)当SEI层的厚度增加到能够阻止溶剂从电极上得到电子时,还原反应自行终止,相当于在电极表面形成了一层钝化膜 电池的应用材料碳负极锂离子电池在安全和循环寿命方面显示出较好的性能,并且碳材料价廉、无毒,目前商品锂离子电池广泛采用碳负极材料。众所周知,碳材料种类繁多,目前研究得较多且较为成功的碳负极材料有石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等。在众多的用作碳负极的材料中,天然石墨具有低的嵌入电位,优良的嵌入脱嵌性能,是良好的锂离子电池负极材料。通常锂在碳材料中形成的化合物的理论表达
15、式为LiC6。电池的应用材料氧化物负极材料氧化物负极材料无定形锡基复合氧化物:SnMxOy SnSi0.4Al0.2P0.6O3.6零应变材料 LiTi5O12 相对于金属锂的电位为1.5V,因而与4V的正极材料配对形成2.5V的电池.可逆容量一般为150mAh/g.锂的嵌入和脱嵌不会产生应变,循环寿命很好电池的应用材料对锂离子电池电解液的要求对锂离子电池电解液的要求1.锂离子电导率高。在一般稳定范围内,电导率要达到310-3210-2S/cm。2.电化学窗口大。即电化学性能在较宽的范围内不发生分解反应。3.电解质的可用液态范围宽,在4070范围内均为液态。4.热性能稳定,在较宽的范围内不发生
16、分解反应。电池的应用材料5.化学稳定性高,即与电池体系的电极材料、集流体、隔膜、粘接剂等基本上不发生反应。6.最大可能促进电极可逆反应的进行;7.没有毒性,使用安全;8.容易制备,成本低。电解质电解质无机锂盐 LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6有机锂盐 三氟甲基磺酸锂 LiCF3SO3 二(三氟甲基磺酰)亚胺锂 LiN(CF3SO2)2 三(三氟甲基磺酰)甲基锂 LiC(SO2 CF3)电池的应用材料六氟磷酸锂六氟磷酸锂(LiPF6)(LiPF6)是锂离子电池的电解质材料,也是锂离是锂离子电池的电解质材料,也是锂离子电池的关键组成部分,约占锂离子电池电芯材料成本的子电池的关键组
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