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锂离子电池的基础知识

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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锂离子电池的基础知识

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Presentation Transcript

  1. 报告人：马倩倩 2012年5月14日 锂离子电池的基础知识

  2. 目录 • 锂离子电池组成 • 炭负极材料 • 锂离子电池工作原理 LOGO

  3. 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 LOGO

  4. 锂离子电池的组成 LOGO

  5. 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 LOGO

  6. 为什么负极要用铜箔而正极要用铝箔做集流体，能否互换？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。 LOGO

  7. 炭负极材料 LOGO

  8. 炭材料优缺点比较 LOGO

  9. 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 LOGO

  10. 锂离子电池工作原理 Charge Li+ Li+ Electrolyte Li+ Li+ Negative Electrode Positive Electrode Discharge LOGO

  11. 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 LOGO

  12. 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 LOGO

  13. 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。 LOGO

  14. 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。 LOGO

  15. Thank you for your attention! LOGO

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