第一课时电池基础知识培训

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1、第一课时电池基础培训锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包 括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子 电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的 重点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂 离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池 中，正极材料的成本大约占整个电池成本的 40左右，正极材料价格的降低直接决定着锂 离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂离子电池大约 只需要 5

2、克左右的正极材料，而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达 500 千克的正极材料。衡量锂离子电池正极材料的好坏，大致可以从以下几个方面进行评估：（1）正极材料 应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压；（2）锂离子能够在正极材料中 大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容量；（3）在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材 料的结构应尽可能不发生变化或小发生变化，以保证电池良好的循环性能；（4）正极的氧 化还原电位在锂离子的嵌入/脱嵌过程中变化应尽可能小，使电池的电压不会发生显著变化， 以保证电池平稳地充电和放电；（5）正极材料应有较高的电导率，能使电池大电流地充电 和放电；（6）正

3、极不与电解质等发生化学反应；（7）锂离子在电极材料中应有较大的扩 散系数，便于电池快速充电和放电；（8）价格便宜，对环境无污染。锂离子电池正极材料一般都是锂的氧化物。研究得比较多的有 LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，LiFePO4 和钒的氧化物等。导电聚合物正极材料也引起了人们的极大兴趣。1、LiCoO2在目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的 LiCoO2 作为正极材料。其理论容 量为 274mAh/g，实际容量为 140mAh/g 左右，也有报道实际容量已达 155mAh/g。该正极 材料的主要优点为：工作电压较高（平均工作电压为 3.7V）、充放电电压平稳，适合大电 流

4、充放电，比能量高、循环性能好，电导率高，生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为： 价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高。2、LiNiO2用于锂离子电池正极材料的 LiNiO2 具有与 LiCoO2 类似的层状结构。其理论容量为 274mAh/g，实际容量已达 190mAh/g210mAh/g。工作电压范围为 2.54.2V。该正极材料 的主要优点为：自放电率低，无污染，与多种电解质有着良好的相容性，与 LiCoO2 相比价 格便宜等。但 LiNiO2 具有致命的缺点：LiNiO2 的制备条件非常苛刻，这给 LiNiO2 的商业 化生产带来相当大的困难；LiNiO2 的热稳定性差，在同

5、等条件下与 LiCoO2 和 LiMn2O4 正极材料相比，LiNiO2 的热分解温度最低（200左右），且放热量最多，这对电池带来很大的安全隐患；LiNiO2 在充放电过程中容易发生结构变化，使电池的循环性能变差。这些缺 点使得 LiNiO2 作为锂离子电池的正极材料还有一段相当的路要走。3、LiMn2O4用于锂离子电池正极材料的 LiMn2O4 具有尖晶石结构。其理论容量为 148 mAh/g，实 际容量为 90120 mAh/g。工作电压范围为 34V。该正极材料的主要优点为：锰资源丰 富、价格便宜，安全性高，比较容易制备。缺点是理论容量不高；材料在电解质中会缓慢溶 解，即与电解质的相容

6、性不太好；在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格崎变，造成电 池容量迅速衰减，特别是在较高温度下使用时更是如此。为了克服以上缺点，近年新发展起 来了一种层状结构的三价锰氧化物 LiMnO2。该正极材料的理论容量为 286 mAh/g，实际 容量为已达 200 mAh/g 左右。工作电压范围为 34.5V。虽然与尖晶石结构的 LiMn2O4 相比，LiMnO2 在理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高，但仍然存在充放电过 程中结构不稳定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变化， 从而引起电极体积的反复膨胀和收缩，导致电池循环性能变坏。而且 LiMnO2 也存在较高工

7、 作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对 LiMnO2 进行掺杂和表面修饰。目前已经取 得可喜进展。4、LiFePO4该材料具有橄榄石晶体结构，是近年来研究的热门锂离子电池正极材料之一。其理论容 量为 170 mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达 110 mAh/g。通过对 LiFePO4 进 行表面修饰，其实际容量可高达 165 mAh/g，已经非常接近理论容量。工作电压范围为 3.4V 左右。与以上介绍的正极材料相比，LiFePO4 具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且 价格低廉。LiFePO4 的主要缺点是理论容量不高，室温电导率低。基于以上原因，LiFePO4 在大型锂离子

8、电池方面有非常好的应用前景。但要在整个锂离子电池领域显示出强大的市 场竞争力，LiFePO4 却面临以下不利因素：（1）来自 LiMn2O4、LiMnO2、LiNiMO2 正极 材料的低成本竞争；（2）在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料；（3）LiFePO4 的电池容量不高；（4）在高技术领域人们更关注的可能不是成本而是性能， 如应用于手机与笔记本电脑；（5）LiFePO4 急需提高其在 1C 速度下深度放电时的导电能 力，以此提高其比容量。（6）在安全性方面，LiCoO2 代表着目前工业界的安全标准，而且 LiNiO2 的安全性也已经有了大幅度的提高，只有 LiFePO4

9、 表现出更高的安全性能，尤其 是在电动汽车等方面的应用，才能保证其在安全方面的充分竞争优势。下表对不同锂离子电 池正极材料的性能进行了比较。不同锂离子电池正极材料性能比较正极材料理论容量（mAh/g） 实际容量（mAh/g）工作电压（V）安全性能 成本LiCoO22741401552.5-4.2一般高LiNiO22741902102.54.2差居中LiMn2O4148低9012034好20034.5好1101653-4很好LiMnO2286低LiFePO4170低尽管从理论上能够用作锂离子电池正极材料种类很多，但目前在商业化生产的锂离子电 池中最广泛使用的正极材料仍然是 LiCoO2。层状结构

10、的 LiNiO2 虽然比 LiCoO2 具有更高 的比容量，但由于它的热分解反应导致的结构变化和安全性问题，使得直接应用 LiNiO2 作 为正极材料还有相当的距离。但用 Co 部分取代 Ni 获得安全性较高的 LiNi1-xCoxO2 来作为 正极材料可能是将来一个重要的发展方向。尖晶石结构的 LiMn2O4 和层状结构的 LiMnO2 由于原材料资源丰富、价格优势明显、安全可*而被认为是极具市场竞争力的正极候选材料 之一。但其存在的充放电过程中结构不稳定性问题将是将来的重要研究课题。具有橄榄石结 构的 LiFePO4 目前的实际放电容量已达理论容量的 95左右，并且具有价格便宜、安全性 高

11、、结构稳定、无环境污染等优点，被认为是大型锂离子电池中极有希望的候选正极材料。 但由于 LiFePO4 理论容量的限制使其不大可能用于高容量的小型锂离子电池中1、 一次电池和充电电池有什么区别？ 电池内部的电化学性决定了该类型的电池是否可充，根据它们的电化学成分和电极的结构可 知，真正的可充电电池的内部结构之间所发生反应是可逆的。 理论上，这种可逆性是不会受循环次数的影响，既然充放电会在电极体积和结构上引起可逆 的变化，那么可充电电池的内部设计必须支持这种变化，既然，一次电池仅做一放电，它内 结构简单得多且不需要支持这种变化，因此，不可以将一次电池拿来充电，这种做法很危险 也很不经济，如果需要

12、反复使用，应有尽有选择真正的循环次数在 1000 次左右的充电电池， 这种电池也可称为一次电池或蓄电池。2、 一次电池和二次电池还有其他的区别吗？ 另一明显的区别就是它们能量和负载能力，以及自放电率，二次电池能量远比一次电池高， 然而他们的负载能力相对要小。3、 可充电便携式电池的优缺点是什么？充电电池寿命较长，可循环 1000 次以上，虽然价格比干电池贵，但如果经常使用的话，是 比较划算的。充电电池的容量比同规格的碱锰电池或锌碳电池低，比如，他们放电较快。 另一缺点是由于他们 几近恒定的放电电压，很难预测放电何时结束。当放电结束时，电池 电压会突然降低。假如在照相机上使用，突然电池放完了电，

13、就不得不终止。 但另一方面可充电电池能提供的容量比大部分一次电池高。但 Li-ion 电池却可被广泛地用照相器材中，因为它容量高，能量密度大，以及随放电深度的增加而逐渐降低的放电电压。4、 充电电池是怎样实现它的能量转换？ 每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存的化学能直接转换成电能，就二次电子（也叫 蓄电池）而言（另一术语也称可充电使携式电池），在放电过程中，是将化学能转换成电能； 而在充电过程中，又将电能重新转换成化学能。聚合物锂离子电池是一种新型的可充电便携 式电池。它的额定电压为 3.6V(或者说是 3.7V)，它的放电电压会随放电的深度逐渐衰退， 不象其他充电电池一样，在放电未，电

14、压突然降低。5、 什么是 Li-ion 电池？锂电池的正极材料是锂金属，负极是碳。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成， 生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负 极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进 行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正 极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在 Li-ion 的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。Li-ion 就像一把摇椅，摇椅 的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅

15、来回奔跑。所以 Li-ion 又叫摇椅式电 池。6、Li-ion 电池有哪几部分组成？（1）电池上下盖（2）正极活性物质为氧化锂钴（3）隔膜一种特殊的复 合膜（4）负极活性物质为碳（5）有机电解液（6）电池壳（早期为分为钢壳和 铝壳两种,目前来讲主要为软包装）7、Li-ion 电池有哪些优点？哪些缺点？Li-ion 具有以下优点：1） 单体电池的工作电压高达 4.2V：2） 比能量大，目前能达到的实际比能量为 100-115Wh/kg 和 240-253Wh/L（2 倍于 Nl-Cd，1.5 倍于 Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达 150Wh/kg 和 400 Wh/L3） 循环寿

16、命长,一般均可达到 300 次以上(70%),甚至 2000-3000 次(动力电池).4） 安全性能 好,无公害,无记忆效应：Li-ion 中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧 结式）的 Ni-Cd 电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但 Li-ion 根本不 存在这方面的问题。5） 自放电小室温下充满电的 Li-ion 储存 1 个月后的自放电率为 10%左右(正常锂电池存放一个月放电容 量 95%,一年为 80%,军品为 95%)，大大低于 Ni-Cd 的 25-30%，Ni、MH 的 30-35%。Li-ion 也存在着一定的缺点，如：1） 电池成本较高。主要表现