锂离子电池介绍课件.ppt
《锂离子电池介绍课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《锂离子电池介绍课件.ppt(116页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、1,锂离子电池,2,摘要,1 锂离子二次电池的概况2 锂离子电池的原理和特性3 锂离子电池的应用与发展前景4 锂离子电池材料,3,1 锂离子二次电池的概况,锂是金属中最轻的元素,且标准电极电位为-3.045 V,是金属元素中电位最负的一个元素。且锂离子可以在TiS2和MoS2等嵌入化合物中嵌入或脱嵌。,锂离子电池:分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”,俗称“锂电”。,4,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的历史,5,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的优点,
2、1、高能量密度: 100 Wh/Kg以上,为镍镉电池的三倍,镍氢电池的两倍;2、电压平台高:3.6 V,镍基电池为1.2 V;3、低温下工作优:在-2060的温度范围内工作,低温下的工作优于其它电池 ;4、低维护性:没有记忆效应,无需定期放电,最理想的保存方式,就是在40%充电后冷藏保存,可以保存达十年之久 ;5、低自放电率:约6/月;6、长循环寿命(1000次,100DOD);,6,7,1 锂离子二次电池的概况,镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比,8,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的缺点,1、安全性能问题:需复杂的保护线路;2、放电倍率低:1 C 2 C;3、价格昂贵。,9,1 锂离子二
3、次电池的概况,锂离子电池的种类,根据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可以分为1、液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)2、聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP),相同点:液态锂离子电池和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,电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2,负极使用各种碳材料如石墨,同时使用铝、铜做集流体。区别:主要区别在于电解质的不同, 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
4、大部分采用聚合物胶体电解质。,10,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的种类,11,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的种类,按形状分类:圆柱形、方形和扣式(钱币形);,按正极材料分类:氧化钴锂型、氧化镍锂型和氧化锰锂型,12,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的工作原理,13,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的工作原理,14,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的工作原理,15,2 锂离子电池的原理和特性,以LiCoO2体系的锂离子二次电池为例说明其工作原理。一般,锂离子二次电池是由正极、电解液、隔膜以及负极构成。充电时,正极中的锂离子从LiCoO2层状结构中脱出,Co元素的
5、化合价由升高到,正极材料发生氧化反应,同时锂离子经过电解液迁移到电池的负极,在负极碳材料的层状结构内和碳化合生成LiCX。电池在接上负载时,则两电极上所发生的反应分别为充电时发生反应的逆反应。隔膜位于正负反应电极之间,隔膜可以透过离子,但却不允许电子透过,同时当电池正负极发生一定程度的微短路时,隔膜还起到阻断保护作用。,锂离子电池的工作原理,16,锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满时的电压(称为终止充电电压)一般为4.2V;锂离子电池终止放电电压为2.5V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继续使用,则称为过放电,对电池有损害。,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池比较骄
6、贵。如果不满足其充电及使用要求,很容易出现爆炸,寿命下降等现象。因为锂离子电池对温度、过压、过流及过放电很敏感,所以所有的电池内部均集成了热敏电阻(监控充电温度)及防过压、过流、过放电保护电路。,锂离子电池的工作原理,17,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的充电过程分:预充电阶段;恒流充电阶段-恒压充电阶段。,1C,4.1V一4.2V,锂离子电池的充电原理,18,2 锂离子电池的原理和特性,预充电阶段预充电阶段是在电池电压低于3V时,电池不能承受大电流的充电。这时有必要以小电流对电池进行浮充。,锂离子电池的充电原理,19,2 锂离子电池的原理和特性,恒流充电阶段当电池电压达到3V时,电池
7、可以承受大电流的充电了。这时应以恒定的大电流充电。以使锂离子快速均匀转移,这个电流值越大,对电池的充满及寿命越有利。,锂离子电池的充电原理,20,2 锂离子电池的原理和特性,恒压充电阶段当电池电压达到4.2V时,达到了电池承受电压的极限。这时应以4.2V的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于30mA时,电池即充满了。这时要停止充电。否则,电池因过充而降低寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为1%。依国家标准,锂离子电池要能在1C的充电电流下,可以循环充放电500次以上。依一般的电池使用三天一充。这样电池的寿命应在4年。,锂离子电池的充电原理,21,2 锂离子电池的原理和特性,恒压式
8、充电原理图,当没电的电池插在这种充电器上时,充电器即以最大的电流为电池充电。如果在锂离子电池最虚弱的低压时(低于2.5V)就以大电流冲击,将会严重损害电池的寿命。 另外,这类的充电器均为直接市电220V接入,转换为5V的低压直流。因为转换效率低下,会产生大量的热。热量直接叠加在了电池上,使电池温度过高,这对电池有很大损害。,锂离子电池的充电原理,22,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的充电方法,标准充电:在环境温度 205 的条件下,以 0.5C5A 恒流充电,当电池端电压达到充电限制电压 4.20V 时,改为恒压充电,直到充电电流小于 10mA ,停止充电。,快速充电:在环境温度 20
9、5 的条件下,以 1C5A 恒流充电,当电池端电压达到充电限制电压 4.2V 时,改为恒压充电,直到充电电流小于 10mA ,停止充电。,23,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的高温性能,电池充电结束后,将电池放入 602 的高温箱中恒温 2h ,然后以 1C5A 电流恒流放电至 2.75V 。放电时间不小于 54 分钟。后将电池取出在环境温度 205 的条件下搁置 2h, 电池外观无变形、无爆裂。,24,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的低温特性,电池充电结束后,将电池放入 -102 的低温箱中恒温 2h 后,以 0.5C5A 电流恒流放电至终止电压 2.75V 。放电时间不小于
10、 1.8h 。后将电池取出在环境温度 205 的条件下搁置 2h ,电池外观无变形、无爆裂。,25,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的温度特性,放电平台电压有明显下降,但放电容量相差不大。,26,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的循环寿命,在环境温度 205 的条件下,以 1C5A 恒流充电,当电池端电压达到充电限制电压时,改为恒压充电,直到充电电流为 105mA ,停止充电;搁置 0.5h 1h ,然后以 1C5A 电流恒流放电至终止电压 2.75V ,搁置 0.5h1h ,再进行下一个充放电循环。直至连续两次放电容量小于 80% 的 1C5A 放电容量,认为寿命终止,循环寿命不
11、小于 300 次。,内阻的增加,导致充电不足,27,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的储存特性,0,25,40,60,28,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的安全评估,29,2 锂离子电池的原理和特性,过充试验,利用恒定电流持续给电芯充电,设定固定电压上限。电芯内部在负极上产生锂离子枝晶,刺穿隔膜是通过该试验最大的威胁。,锂离子电池的安全评估,30,短路试验,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的安全评估,用小电阻的导线直接连接正负极,使电池形成超大电流回路,电池内部快速升温,31,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的安全评估,针刺试验,用铁针垂直穿透电池,持续形成内部短路,
12、32,2 锂离子电池的原理和特性,热冲击,把电芯放入高温箱中, 以标准规定的速度升温 ,持续的高温导致内部隔膜熔化,形成大面积内部短路 。,锂离子电池的安全评估,33,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的结构,正极材料,一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。,34,2 锂离子电池的原理和特性,负极材料,做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.40.6,y=0.6
13、0.4,z=(2 3x5y)/2)等。,锂离子电池的结构,35,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的电解液是有机溶剂和无机盐构成的,采用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。室温电导率平均约为-110-3 S/cm,比水溶液电解质低近两个数量级。因此,为了使商品锂离子电池能在较高电流下充、放电,电极必须很薄,以增加电极的总面积,降低电极的实际工作电流密度。,电解液,锂离子电池的结构,36,2 锂离子电池的原理和特性,隔膜,隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜,尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低,而且具
14、有较高的抗穿刺强度,起到了热保险作用。,锂离子电池的结构,37,外壳采用钢或铝材料,盖体组件具有防爆断电的功能。,2 锂离子电池的原理和特性,外壳,锂离子电池的结构,38,2 锂离子电池的原理和特性,此结构一般为液态锂离子电池所采用,也是最古老的结构之一,偶尔在较早的手机上还能找到它的影子。目前大多数用在笔记本电脑的电池组里面。,安全阀,正温度系数的电阻元件,卷边压缩密封,锂离子电池的结构,39,2 锂离子电池的原理和特性,现今最普遍的液态锂离子电池形态, 广泛的应用在各个移动电子设备的电池组里面,特别是手机电池。左图画面是sanyo生产的UP383450,即3.8mm*34mm*50mm,标
15、称容量达到650mAh。,方形电池的正极往是一种金属陶瓷或金属破璃绝缘子它实现了正极与壳体之间的绝缘。,激光焊接,锂离子电池的结构,40,2 锂离子电池的原理和特性,此种可充电的锂离子电池不常见,容量不大在几个到几十mAh之间,应用领域也不广泛。,锂离子电池的结构,41,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的命名,圆柱形锂离子二次电池的命名:用三个字母和5位数字来表示,前两个字母表示锂离子电池(LI),后一个字母表示圆柱形(R),前两位数字表示以mm为单位的最大直径,后三位数字表示以0.lmm为单位的最大高度,如LIR18650即表示直径为18mm,高65mm的圆柱形锂离子电池。方形锂离子二
16、次电池的命名:用三个字母和6位数字来表示,前两个字母表示锂离子电池(LI),后一个字母表示方形(S),前两位数字表示以mm为单位的最大厚度,中间两位数字表示以mm为单位的宽度,后两位数字以mm为单位的最大高度,如LIS043048即表示厚度为4mm,宽30mm,高48mm的方形锂离子电池。,42,3 锂离子电池的应用与发展前景,锂离子电池的应用,手机中的锂离子电池,43,3 锂离子电池的应用与发展前景,锂离子电池的应用,电动自行车中的锂离子电池,44,3 锂离子电池的应用与发展前景,电动汽车中的锂离子电池,锂离子电池的应用,45,3 锂离子电池的应用与发展前景,锂离子电池的发展方向,发展电动汽
17、车用大容量锂离子电池,开发及使用新的高性能电极材料,加速聚合物理离子电池的实用化进程,46,4 锂离子电池材料,负极材料,正极材料,电解质材料,47,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料,锂离子电池负极材料演变过程,48,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料金属锂,比容量最高的负极材料,负极:金属锂,固态电解质界面膜SEI,直接使用金属锂仍处于研究阶段,49,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料金属锂,为了解决这一问题,主要在三个方面展开研究:寻找替代金属锂的负极材料;采用聚合物电解质来避免金属锂与有机溶剂反应;改进有机电解液的配方,使金属锂在充放电循环中保持光滑均一的表面。 前两个方面
18、已取得重大进展。,优点:比容量高缺点:安全性差,循环性差,50,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料合金类负极材料,优点:避免了枝晶的生长,提高了安全性。主要问题:在反复循环过程中,锂合金将经历较大的体积变化,电极材料逐渐粉化失效,合金结构遭到破坏。主要材料:LiAlFe、LiPb、LiAl、LiSn、LiIn、LiBi、LiZn、LiCd、LiAlB、LiSi等,含锂合金,51,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料合金类负极材料,复合体系的采用,解决了维度不稳定的缺点:采用混合导体全固态复合体系:即将活性物质(如LixSi)均匀分散在非活性的锂合金中,其中活性物质与锂反应非活性物质提供反
19、应通道;将锂合金与相应金属的金属间化合物混合,如将LixAl台金与Al3Ni混合;将锂合金分散在导电聚合物中,如将LixAl、LixPb分散在聚乙炔或聚并苯中。其中导电聚合物提供一个弹性、多孔、有较高电子和离子电导率的支撑体;将小颗粒的锂合金嵌入到一个稳定的网络支撑体中。效果:提高了锂合金体系的维度稳定性,但仍不能达到实用化的程度。,含锂合金,52,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料合金类负极材料,非锂合金,主要材料1、纳米级(大于100 nm)的Sn及SnSb、SnAg金属间化合物(电沉积的方法);2、Sn0.88Sb合金(化学沉积法);3、SnFeSnFeC复合材料体系;4、CuSn5
20、合金;5、纳米硅基复合材料。,合金类负极材料的最佳选择纳米合金复合材料的优点:在充放电过程中绝对体积变化较小,电极结构有较高的稳定性。纳米材料的比表面积很大,存在大量的晶界,有利于改善电极反应动力学性能。,53,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,优点1、电池的安全性大大提高;2、在充放电过程中不会形成锂枝晶,避免了电池内部短路,大大延长了电池的寿命;3、充放电可逆性好;4、容量大;5、放电平台低。缺点:容量循环衰减,主要材料:石墨、碳纤维、石油焦、无序碳和有机裂解碳等。,日本索尼:硬碳 三洋公司:天然石墨 松下公司:中间相碳微珠,54,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负
21、极材料,一般制备负极材料的方法:在一定高温下加热软碳得到高度石墨化的碳;将具有特殊结构的交联树脂在高温下分解得到硬碳;高温热分解有机物和高聚物制备含氢碳。,55,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,碳的同素异形体,金刚石,富勒烯,石墨,无定形碳,乱层石墨,56,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,石墨,六方石墨,三方石墨,范德华力,57,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,锂石墨嵌入化合物,锂嵌入石墨层间,形成多级嵌人化合物属于施主型嵌入化合物。,一级嵌锂化合物LiC6,锂是完全离子化的,58,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,电化学容
22、量,电化学容量:通常指单位质量的活性物质充电或放电到最大程度时的电量,一般用mAhg表示。,石墨类碳的充电机理是锂离子可逆地嵌入石墨层间,嵌入量一般不应超过LiC6,相应电化学容量为372mAh/g。,石墨类碳的电化学容量Q与石墨结构无序度P的关系为Q372(1P),59,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,电化学容量,嵌入石墨层间,在石墨层间形成最近邻的堆积,插入到碳材料的空腔,在杂原子取代的碳中与杂原子相互作用,在六方石墨与菱形石墨相共存形成的缺陷位富集,在石墨ab面形成多层吸附,在石墨ab面和边缘面形成活性位吸附,60,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,天然
23、石墨结构参数和电化学容量,菱形石墨含量越高,电化学容量越大,电化学容量,61,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,电化学容量,储锂机制:当锂嵌入到热解炭中,弱的CH键断裂,Li取代H形成CLi键。相反脱嵌时,弱的CH键恢复,这样CH键的破裂和恢复就使低温热解炭有高于石墨理论容量的附加容量。,低温热解炭的可逆容量在400mAh/g900mAh/g之间,62,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,不可逆容量损失,不可逆容量损失:在充放电过程中,电极的充放电效率低于100,即放电的电化学容量低于充电,损失的部分被称为不可逆容量损失。通常由电极表面发生的不可逆副反应引起。,6
24、3,4 锂离子电池材料,锂离子电池负极材料碳负极材料,不可逆容量损失,固态电解质界面膜SEI,主要组成为Li2CO3、ROCO2Li,SEI主要在第一次充放电时产生,是不可逆容量损失的主要来源。此外,还影响电极的自放电、循环性、低温性能、安全性和功率密度。,64,4 锂离子电池材料,电极电位,电极反应,室温下碳电极的电极电位,理想的负极材料的电极电位应与金属锂接近随锂的嵌入量不同变化不大。石墨的电极电位从0.4V到0.0V(相对于Li+/Li)之间变化,是比较合适的负极材料。,锂离子电池负极材料碳负极材料,65,4 锂离子电池材料,充放电倍率,充放电电流ICN。其中C为电池的额定容量值:N为放
25、电小时数。一个容量为2Ah的电池以20小时率(或0.05C,或0.05倍率)放电,则I100 mA。I值的大小反映了电池充放电的快慢,主要与电池内部各种电极过程的速率有关。,锂离子电池负极材料碳负极材料,66,影响因素:锂离子在正负极材料内部的扩散速率、电极表面的电化学反应速率、锂离子在电极/电解质界面的扩散速率以及锂离子在电解质中的离子迁移率。,4 锂离子电池材料,充放电倍率,液体电解质碳负极材料体系:锂离于在石墨层问的嵌入与脱出的速率决定了电池的充放电倍率。,增加边缘面取向及增大比表面积,锂离子电池负极材料碳负极材料,67,4 锂离子电池材料,循环性,循环性:电极材料在反复充放电过程中保持
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 锂离子电池 介绍 课件

链接地址:https://www.31ppt.com/p-1578927.html