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锂离子电池的基础知识 - PowerPoint PPT Presentation


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报告人:马倩倩 2012 年 5 月 14 日. 锂离子电池的基础知识. 目录. 锂离子电池组成 炭负极材料 锂离子电池工作原理. 锂离子电池的组成. ●正极 Li x CoO 2 、 Li x NiO 2 或 LiMn 2 O 4 、 LiFePO 4 等锂化合物 ●负极 Li x C 6 锂-碳层间化合物,如石墨、 MCMB 等 ●电解质 LiPF 6 (浓度 1mol/l ) + DMC EC EMC (重量比 1:1:1 ) ●隔膜 单层 PP ,单层 PE ,三层 PP/PE/PP ●外壳五金件

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2012 5 14

报告人:马倩倩

2012年5月14日

锂离子电池的基础知识


目录

  • 锂离子电池组成

  • 炭负极材料

  • 锂离子电池工作原理

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锂离子电池的组成

●正极

LixCoO2 、LixNiO2或LiMn2O4、LiFePO4等锂化合物

●负极

LixC6锂-碳层间化合物,如石墨、MCMB等

●电解质

LiPF6(浓度 1mol/l)+ DMC EC EMC(重量比1:1:1 )

●隔膜

单层PP,单层PE,三层PP/PE/PP

●外壳五金件

铝壳、盖板、极耳、绝缘片

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锂离子电池正极与负极

正极物质:钴酸锂+乙炔黑+PVDF

正极集流体:铝箔

负极物质:石墨+CMC+SBR

负极集流体:铜箔

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为什么负极要用铜箔而正极要用铝箔做集流体,能否互换?

1 导电性好,质地比较软(有利于粘结),也相对常见比

较廉价,表面都能形成一层氧化物保护膜。

2 正极电位相对较高,铜铝都会氧化,但是铝形成的氧化

膜较致密,可以阻止铝集流体的进一步氧化,而铜集流

体的氧化层较疏松。

3 对于现在的石墨负极来说,由于其嵌锂电位较低(相对

于Li+/Li是0.01V左右),这时候铝会发生嵌锂反应(0.4V

vsLi+/Li),同时在脱嵌过程中会发生脱嵌,导致集流体

粉化,破坏负极结构,而铜则不会发生脱嵌锂反应,所

以对较低 电位的负极材料则要用铜箔;有些负极,比如

钛酸锂,其脱嵌锂电位相对碳类材料较高(超过1V,

vsLi+/Li),也可以使用铝箔作为集流体。

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理化指标

  • 层面间(d002):为两002晶面间的距离;理想石墨的d002=0.3354nm

  • 石墨化度(G):指接近理想石墨的程度;

    G=(0.3440-d002)/(0.3440-0.3354)

    设结构最杂乱的碳材料的d002=0.3440nm

  • 碳负极材料的比容量

      比容量:单位质量的活性物质充电或放电到最大程度时的电

    量,用mAh/g表示。

    理想石墨的嵌入锂离子形成LiC6时的理论比容量是372 mAh/g。

    其计算方法如下:

      金属锂电化学比容量是3860 mAh/g(Q=nF*1000/3600M) ,

    锂在原子量为6.94,碳 的原子量是12.01

    3860*6.94/(12.01*6)=372 mAh/g

  • 对于非理想石墨的理论比容量计算:Q=372*G

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锂离子电池工作原理

Charge

Li+

Li+

Electrolyte

Li+

Li+

Negative

Electrode

Positive

Electrode

Discharge

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0.25nm

石墨嵌入化合物LiC6的结构

(a)ABAB…重复堆积而成,六方

结构(2H)

(b)ABCABC…重复堆积而成,

菱形结构(3R),为亚稳定结构,

没有纯的菱形结构单独存在。

(b) LiC6的层间有序结构

  • 石墨以AA层堆积、锂以aa层间有序插入的结构示意图

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石墨的取向(大倍率性能)

基面

★锂离子只能由垂直于石墨晶体C

轴方面的端面进行插入;

★如果取向平行集流体,则锂离子

的迁移路径长,降低大电流性能;

★如果石墨墨片的取向垂直于集流体

,可以直接发生锂离子的插入和脱

插,因而扩散阻力小,有利于大电

流充放电。

★动力电池负极材料采用MCMB。

端面

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SEI膜的形成

Li+离子插入石墨过程:

溶剂化锂离子在电场作用下迁移到石墨负极表面

锂离子脱溶剂化嵌入到石墨层间 部分溶剂在石墨表面发生开环,还原等反应形成一层固体电解质保护膜(SEI) 阻止后续溶剂进一步的发生共嵌入。

有效SEI要求为锂离子导体、非电子导体的保护膜,防止负极材料与电解液进一步反应。

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不可逆容量的产生

不可逆容量 可逆容量

充电

放电

(b)第2次循环

(a)第1次循环

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

0.0

0 300 600

★所有炭素材料在经过首次充放电时都会存在由于副反应带来的

不可逆容量损失。

★随着负极电位的降低,直到电解液中成分在负极表面形成一种

稳定的钝化膜(SEI)而停止。

★首次放电出现四个电压平台,其中A为SEI膜的形成,石墨的大

部分容量在0.3-0.05V范围内。

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