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1、聚合物在锂离子电池中的 应用 概要： 第一部分：选题的背景 第二部分：锂离子电池及其应用的聚合 物 第三部分：锂离子电池的应用 第一部分：选题的背景 本题涉及的是新能源材料的问题: 新能源材料的特点： 新材料把原来使用的能源变成新能源。 一些新材料可以提高储能和能量转化效果 新能源材料开发面临的问题: 资源的合理利用。 安全与环境保护。 材料规模化生产的制作与加工。 延长材料的使用寿命。 二次电池简介： 什么是二次电池？ 为什么二次电池能够迅猛发展？ 目前对二次电池研究的新重点： .储氢材料及金属氢化物镍电池； .锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池 ； .聚合物电解质锂离子电池； 第二部分：
2、 锂离子电池及其应用的聚合 物 一、概述 二、工作原理 三、正极材料 四、负极材料 五、电解质材料 一、概述 定义：锂离子电池是 指以锂离子嵌入化 合物为正极材料电 池的总称。锂离子 电池的充放电过程 ，就是锂离子的嵌 入和脱嵌过程。 与其优点比起来,锂离子电池的缺点不应成为问题,特别是 它应用在高附加值和高科技产品中. 特点： 优点 体积和质量比能量高。（体积比能量就是单位体积的能量，质量比能 量类似） 平均输出电压高，一般为3.6V，是Cd-Ni，MH-Ni电池的三倍； 可大电流放电，输出功率大； 自放电率小，每月放电不超过10%，不到Cd-Ni，MH-Ni电池的一半； 放电时间长、循环性
3、能好、使用寿命长，可达1200次； 充电效率高，可达100%，而且可快速充电； 没有环境污染，称为“绿色电池” 缺点 成本高，主要是正极活性材料价格高； 必须有特殊保护电路，以防过充电； 与普通电池的相容性差，一般要在3节普通电池的情况下才能用锂离子 电池代替。 二、工作原理 以石墨负极和LiCoO2正极为例： 充电反应为： 正极 : 负极: 电池反应: 在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，而嵌入负极，即锂离子从高 浓度正极向低浓度负极的迁移过程；放电过程类似。 LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe 6C + xLi+ + xe LixC6 6C + LiCoO2 Li1-xC
4、oO2 + LixC6 三、正极材料 主要有： 氧化钴锂正极材料、氧化镍锂正极材料 、氧化锰锂正极材料、钒氧化物正极材 料等 通过掺杂其它元素、改进制备工艺等材 料改性手段可以有效的提高脱嵌相的稳 定性，提高可逆容量和抑制容量衰减。 四、负极材料 碳基负 极材料 石墨化碳 负极材料 无定形 碳材料 其它碳 负极材料: 富乐烯 碳纳米管 负极材料分为： 碳基负极材料和非碳基负极材料两大类； 非碳负 极材料 氮化物 硅及 硅化物 锡基氧 化物及 锡化物 钛的 氧化物 对碳基负极材料的改性:1.引入非金属元素;2.引入金属元 素;3.进行表面处理;4.采用机械化学法(粉碎等). 五、聚合物电解质材料
5、(来自高能化 学电源) 电解质种类结构特点电解质体系性能特点 凝胶聚合物 交联型 聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（ PAN）聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟 乙烯（PVDF）等 液体增塑剂（低分子量聚乙二醇） 化学交联： 性能稳定，不受 温度和时间的影 响 物理交联： 温度升高或长时 间放置发生容胀 、溶解、增塑剂 析出 非交联型 聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN ）聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙 烯（PVDF）等 液体增塑剂（低分子量聚乙二醇） 全固态聚合物 交联型 聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN ） 聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯（ PVDF）等 填料：有机低
6、分子化合物、无机物、有 机-无机混合物 非交联型 聚合物：聚醚类（PEO）聚丙烯腈（PAN ） 聚甲基丙烯酸酯（PMMA）聚偏氟乙烯（ PVDF）等 填料：有机低分子化合物、无机物、有 机-无机混合物 聚氧化乙烯类（PEO） PEO在20世纪80年代开始作为电解质基体应用于电池中，其主要特 点是：玻璃转化温度低和无定形相含量高。 PEO的离子导电机理：离子通过PEO的局部松弛和链段的运动实现快 速迁移，该迁移主要发生在无定形相中。 通常的改性方法：共聚、交联、掺杂盐、加增塑剂和无机填料。 聚丙烯腈(PAN） PAN基电解质的研究始于1975年。 其优点是： 合成简单 性能稳定 热稳定性高 不易
7、燃烧 缺点：离子电导率较低；但可以通过以下手段对其凝胶电解质进行改进： 选择合适的非水溶剂，如：用EC/DMC或EC/DEC混合溶剂代替PC/EC，可以避免PC 的分解进而提高电导率； 改善基体，通过共聚等方法可以减少聚丙烯腈的结晶性； 加入添加剂，如：加入三氧化二铝增塑后其室温电导率达0.23ms/cm； 减少凝胶中的杂质 提高电解质的均匀性 聚甲基丙烯酸酯（PMMA） PMMA为非晶态高分子化合物，透明性好，1985年开始用于锂离子 电池。PMMA系凝胶电解质的特点是与金属锂电极的界面电阻低； 通过共聚可以得到离子电导率、机械强度和化学稳定性都较高的 聚合物电解质； 聚偏氟乙烯（PVDF）
8、 PVDF均聚物为离子电导率高的电解质，具有优良的耐溶剂性能，热 稳定性能和耐候性能等。 锂离子电池用的聚偏氟乙烯化合物有聚偏氟乙烯均聚物和氟化乙烯 与六氟丙烯共聚物等 几种最新的聚合物电解质 Ref.石 桥等 锂离子电池用聚合物电解质的最新进展I. 干态聚合物电解质J,电子元 件与材料,2003,11.22(11):5357. 聚合物电解质研究趋势（来自陈光主编新材 料概论） 聚合物电解质存在着电导性与力学性能的矛盾，以及 常温电导率不高、稳定性不好的问题。可以预测，今 后几年聚合物电解质技术的研究将主要集中在： 解决电导性与力学性能的矛盾； 从分子水平上阐述聚合物电解质的结构与导电机制的关
9、系； 聚合物超离子导体； 聚合物单离子导体。 电池 型号 圆 柱 形方 形 14500175001865022mm 宽 22mm 宽 30mm 宽 30mm 宽 34mm 宽 容量 /mAh 5807501350470600580850900 直径 /mm 141718 高度 /mm 50505068698 宽度 /mm 2222303034 长度 /mm 4848484848 第三部分：锂离子电池的应用 在电子产品方面的应用： 手机： 手机用锂离子电池的技术指标 笔记本电脑： 笔记本电脑的电压为10V以上，容量大，一般采用34个 单电池串联就可以满足电压要求，然后再将23个串联 的电池组并联
10、，以保证较大的容量。 交通工具方面的应用： 电动自行车：采用铅酸蓄电池，电池本身重就达十 几公斤而采用锂离子电池则只有3kg重； 电动汽车： 具有以下优点： .低污染排放； .低噪声、无废热； .提高能源利用率； .减缓能源危机； .不会产生内燃机油污，耗油率为“零”； .寿命长（大于10年），维护费用低，直接传动而驾 驶平稳且无歇停振动现象等； 我国“863”计划电动汽车重大专项计划书中要求锂离子电池作为电动汽 车动力必须达到的性能（来自高能化学电源） 质量比能量/（Wh/kg）130 功率密度/（W/kg）1600 循环次数/次500 行驶里程/万公里10 电池工作温度/-2055 索尼公
11、司以锂离子电池为动力的电动汽车部分试车结果 （来自锂离子电池） 参 数性 能 长x宽x高/mm4145x1695x1565 乘客数/人4 质量/kg1700 每次充电行驶里程/km200 最大速率/（km/h）120 从0加速到80km/h所需时间/s12 在军事上的应用： 美国军用锂离子电池的技术指标为：工作电压为4.0V，比能量为 90wh/kg，功率密度为40w/kg，工作温度为：-2055。 （The design of electrolytes,i.e.ionic conductors and electronic insulators, using crystalline solids, polymers, or composites consisting of polymer-liquid or ceramic-liquid combinations.Ref.NSF） 主要应用：军事通讯，鱼雷、潜艇、导弹等尖端武器上； 其他应用 医学 主要应用于助听器、心脏起搏器等； 手表 更环保； 地下采油 因为地下采油的温度高， 采用聚合物锂离子电池可以满足其要求 并且聚合物锂离子电池的电导率高能有效地提供电力。 东方欲晓，莫道君行早。踏遍青山人未老，风景这边独好。 会昌城外高峰，颠连直接东溟。战士指看南粤，更加郁郁葱葱。 谢谢！
