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1、锂离子电池 离子电池材料、工作原理及应用,主要内容,1 锂离子二次电池的概况 2 锂离子电池的原理和特性 3 锂离子电池应用与发展前景 4 锂离子电池材料,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”。,电子技术的发展，对高比能量的移动电源需求量加剧。锂离子电池是一种理想的
2、可移动电源，具有体积小，重量轻，放电电压高，比能量大等优点。自从1990年SONY公司推出世界上第一只锂离子电池，到2001年为止，整个市场每年约4亿只该类电池用于纯消费类电子产品。便携式摄像机、移动电话、手提电脑等95以上使用锂离子二次电池作为主要电源。,1 锂离子二次电池的概况,汽车尾气排放的主要污染物为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（ NOx ）、铅（Pb ）等。,身边的污染汽车,能源危机 石油枯竭：现在已经探明的大概为1万1500亿桶。 据美国能源部门估计，今后20年内，世界石油还能供求平衡，但20年后就要面临缺油的局面。,各种3C电子产品及电动工具电源,电动车,LiC
3、oO2已经不能满足需求，且价格贵,90年代,80年代,70年代,20世纪60年代,碳负极/过渡金属氧化物正极,锂离子电池概念提出,开始锂二次电池的研究,Sony公司,发展历程,锂金属为负极、硫化物正极,各种正负极材料、电解质,法国Armand,Exxon公司,能源危机,LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4、聚合物电解质、金属基负极、Si基,现在,正极是制约 其发展的关键瓶颈之一,a) Layered: LiMO2 - Li0.5MO2 3.8V, 200 mAh/g,b) Spinels: LiMn2O4 - Mn2O4 3V or 4.0V, 148 mAh/g,c) Olivine
4、s: LiFePO4 - FePO4 3.6V, 170 mAh/g,主要正极材料,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的历史,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的优点,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)； 7、环保：无重金属，无污染。,1
5、锂离子二次电池的概况,锂离子电池的优点,镉镍、氢镍、锂离子蓄电池性能对比,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、易于老化：存储的锂离子电池照样会容量衰竭； 4、价格昂贵。,一般认为，锂离子电池起火爆炸是由于其内部化学原理和成分导致的。由于人们想在单位密度中储存更多的能量，这就导致了锂离子电池中碳、氧和易燃液体的含量不断增加。与此同时除了正极、负极以及隔离膜之外，锂离子电池内部还充满了一种非常易燃的液体锂盐类电解质。电池充电时，负极的锂离子向正极移动，电池在使用过程中，锂离子又回到负极以提供能量。在充完电的状态下，
6、失去大部分离子的负极非常不稳定。这个温度足以使负极分解和释放氧。随着热量积蓄，电池将会进入“热失控”状态。此时电池内部的温度将会极快地升高，最后到达电解液的燃点而起火爆炸。在最近导致众多大厂笔记本电脑过热和起火的SONY锂电池中，正是因为在电池制造过程中混入了过多的金属颗粒，容易在电池使用过程中发生短路、产生火花。才导致了这些锂离子电池的不稳定。,1 锂离子二次电池的概况,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 batter
7、y, 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,目前大部分采用聚合物胶体电解质。,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的种类,1 锂离子二次电池的概况,锂离子电池的种类,由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电液泄露，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄。也不会产生漏液与燃
8、烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50以上。此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比液态锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。,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(或钱币形)；,按正极材料分类：氧化钴锂型、氧化镍锂型和氧化锰锂型,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的工作原理,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的工作原理,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电
9、池的工作原理,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,2 锂离子电池的原理和特性,电 极 反 应
10、,锂离子电池的工作原理,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,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的充电原理,Iconst：恒流充电电流； Ipre：预充电电流； If
11、ull：充满判断电流； Vconst：恒压充电电压； Vmin：预充结束电压及短路判断电压,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,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,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
12、原理,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,2 锂离子电池的原理和特性,恒压式充电原理图,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
13、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,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 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 4.2V 时，改为恒压充电，直到充电电流小于 10mA ，停止充电。,2 锂离子电
14、池的原理和特性,锂离子电池的充电方法,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的放电特性,在较高放电率下(1.0 C以上)，虽然放电电压有所下降，但截止到2.5V终止电压时的放电容量却降低很少。,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。,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
15、放电至终止电压 2.75V 。放电时间不小于 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。,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。,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
16、电容量，认为寿命终止，循环寿命不小于 300 次。,内阻的增加，导致充电不足,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的储存特性,0,25,40,60,2 锂离子电池的原理和特性,锂离子电池的安全评估,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,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,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,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,2 锂离子电池的原理和特性,如 何 采
