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1、-毕 业 设 计（论 文）大 纲设计(论文)题目： 锂离子电池的研究与制备 学生姓名： 张庆哲 班 级： 精细1021 学号： 1013220139 专业： 精细化学品生产技术 所在院系： 化工系 指导教师： 岳贤田 2013年3月27日目录第一章 锂离子电池概述2第二章 锂电池32.1 锂电池的定义及分类32.2 锂离子电池的主要特点42.3锂离子电池的工作原理62.4锂离子电池组成部分82.5锂离子电池材料分析92.6锂电池的一些标准10第三章 锂电池的生产工艺143.1锂电池的配方143.2 锂电池的生产流程18第四章 锂离子电池的应用204.1电子产品204.2交通工具214.3航空航
2、天224.4军事234.5 其它23第五章 锂电池的发展趋势24 -南京化工职业技术学院锂离子电池的研究与制备摘要随着微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池凭借着其在诸多方面卓越的性能被人们广泛的应用于很多方面。而其中的锂离子电池是将电能转换为化学能储存起来，又能将化学能转换为电释放出去的一种电化学装置1，其生产制造的专业化程度较高。在这里，将重点介绍锂离子电池正负极材料的种类及其制备方法、电化学性能、工艺流程。锂电池研究开发和现状。锂电池也被人们称之为“最有应用前途的化学电源”，甚至称为“极限电池”或“最后一代电池”。 关键词锂离子电池 结构 分类 材料 优缺
3、点 工作原理 制作工艺 应用 发展趋势 第一章 锂离子电池概述电池工业是新能源领域的重要组成部分，是全球经济发展的一个新热点。2006年，美国十大科技计划中有两项为电池项目，锂离子电池（现在人们俗称锂电池）行业销售总额的三分之一，与电力、交通、信息等产业发展息息相关，在运输工具和大型不间断供电电源系统中处于控制地位，是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品2。锂离子电池产业是二十一世纪最有发展前途和应用前景的新型绿色能源体系，同时关系到国家可持续发展战略的实现。 锂离子电池的出现及其后来的不断改进和完善，带动了相关产业的发展，如移动电话、掌上电脑、照相机、笔记本电脑、以及其他小型便携式电动
4、器械的迅速发展。特别是便携式用电器具的迅速增长，为锂离子电池的应用开拓了广阔的前景。目前，这些产品的所使用的电池中60%以上都是锂离子电池。现在，在电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，从环保角度考虑，另外铅酸蓄电池由于能量密度较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐地会被其他更加优秀的蓄电池所取代，而随着锂离子电池技术不断发展，产品日臻成熟。起动电池结构逐步优化升级，为我国成为世界主要汽车生产国起到重要支撑作用。电池作为备用电源、大型储备电源的核心部件，其生产已成为国民经济发展中重要的基础性产业。锂离子电池投放市场还不到八年时间,对于它的改进还有很大的潜力,锂离子电池作
5、为新型的能源在性能的提高上仍有很大的空间。但是,尽管锂离子电池有比能量高、循环寿命长等优点,但它还有许多不足,主要有电池成本较高、不能大电流充放电、耐过充能力差等。因此,今后对锂离子电池的改进方向为:(1)降低成本；(2) 进一步提高电池容量；(3)进一步实现电池的轻量化。这与目前国际电池市场的发展趋势是一致的,这就为锂离子电池最终进入国际市场提供了方便条件,从而对锂离子电池的产品开发和生产起到有利的促进作用。总之,随着锂离子电池价格的降低及其性能的进一步改善,锂离子电池将进一步取代Ni/Cd、Ni/MH电池,成为世界上最有发展前景的电池。 第二章 锂电池2.1 锂电池的定义及分类2.1.1
6、锂电池3的定义锂电池(Lithium Battery, 简写成LB)是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。但现在锂电池已经成为了主流。2.1.2 锂电池的分类锂电池分成两大类：不可充电的和可充电的两类。不可充电的电池称为一次电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能。如“锂-二氧化锰”一次电池、“锂亚硫酰氯”一次电池。而可充电的电池称为二次电
7、池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如市面上常见的锂离子手机电池。（1）.锂电池外型分：有方型锂电（如常用的手机电池电芯）和柱形（如18650）；（2）.锂电池外包材料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池；（3）.锂电池从正负极材料4（添加剂）分：钴酸锂(LiCoO2)电池或锰酸锂（LiMn2O4），磷酸铁锂（LiFePO4）电池，一次性二氧化锰锂电池； （4）.锂离子电池根据电解质不同，目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLIB)两类。聚合物锂离子电池系统中，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液；而
8、一般锂离子技术使用液体或胶体电解液（5）.不同的性能用途方面分：一次性：锂锰电池。扣式3伏电池；高容量（高平台）：用在手机数码产品上；高倍率：用在电动车和电动工具上及飞机模型；高温：矿灯，室上灯饰，机器内置后备电源；低温：室外环境，北方（冬天）南极所用电池。2.2 锂离子电池的主要特点（1）具有更高的重量能量比、体积能量比；（2）电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压；（3）自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性；（4）无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电；（5）寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于50
9、0次；（6）可以快速充电。锂电池通常可以采用0.51倍容量的电流充电，使充电时间缩短至12小时；（7）可以随意并联使用；（8）由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池；（9）成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。2.2.1 锂离子电池具有以下优点：1） 电压高，单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍。2） 比能量6大，目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。 比能量指的是单位重
10、量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克（重量单位），L（体积单位）。 3） 循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的电器，电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。4） 安全性能好，无公害，无记忆效应。作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域。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
11、充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6)可快速充放电，1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，现在磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。7)工作温度范围高，工作温度为-2545C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-4070C。8）具备高功率承受能力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速。9）重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5。10）绿色环保，无论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有害重金属元素和物质。11）生产基本
12、不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。2.2.2锂离子电池也存在着一定的缺点：1）衰老、不耐受过充、不耐受过放、需多重保护机制、排气孔、隔膜一旦激活，将使电池永久失效。2）电池成本较高。 主要是电池使用主要材料的价格高（如钴酸锂、高纯电解铜、高纯电解液等材料价格昂贵），电解质体系提纯困难。另外，生产过程控制要求很高，增加了管理和设备运行成本。3）钴酸锂5的电池不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在1C以下，只适合于中小电流的电器使用。但现在使用镍钴锰酸锂和磷铁做正极的电池，用于电动工具和电动车等，已经可以10-20C放电。4
13、） 需要保护线路控制。A、 过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电；B、 过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。2.3锂离子电池的工作原理锂系电池分为锂电池和锂离子电池。目前手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。2.3.1 原理 （以钴酸锂为例）1）正极构造 LiCoO2 + 导电剂 + 粘合剂 (PVDF) 7 + 集流体（铝箔）正极 2）负极构造 石墨 + 导电剂 + 增稠剂 (CMC)
14、 + 粘结剂 (SBR) + 集流体（铜箔）负极锂电池负极构造图3）充电过程： 一个电源给电池充电，此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。先恒流充电，到接近终止电压时改为恒压充电。例一种800mAh容量的电池，其终止充电电压为4.2V。电池以800mA(充电率为1C)恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4.2V时，改成4.2V恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1/10-50C(各厂设定值不一，不影响使用)时，认为接近充满，可以终止充电(有的充电器到1/10C后启动定时器，过一定时间后结束充电)。 锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用寿命。锂电池反应图正极上发生的反应为 LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi + xe（电子）负极上发生的反应为 6C + xLi + xe LixC64）电池放电过程 放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li 都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电
