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1、目录一、对于更高能量密度电源的需求是推动电池快速发展的动力二、锂电池的基本原理三、锂电池中的活性和非活性成分四、高能量密度锂电池设计五、锂电池的技术性能(电池测试概念)六、锂电池的安全性能、对于更高能量密度电源的需求是推动电池快速发展的动力各种电池性能对照表-1发展史参照点第一代第二代第三代第四代技术参数铅酸镍镉镍氢锂离子聚合物锂离子工作电压(V)2.01.21.23.73.7重量比能量(Wh/Kg)355080125150体积比能量(Wh/I)80150200320360充放电寿命(次)800500500500500自放电率(%/月)5-725-3030-356-92-5电解质状态液态液态液
2、态液态聚合物胶体方形电池最小厚度500mm3mm3mm3mm1mm有无记忆效应无有有无无有无污染有有无无无生产成本低低中高中A. 高性能锂电池的储存能量 -容量性能在普通镍镉电池和铅酸电池之上。B. 以下几个方面的应用是发展高性能电池的推动力。1.携式通讯器材：手机、掌上电脑、手提电脑、个人数字助理(PDA)、 小型摄像机、数字照相机、双向无线电通讯、游戏机、便携式DVD/VCD和MP3播放机等。2电单车、电摩托车3.零排放汽车：电动车(ZEV: Zero Emissions Vehicles) 4低排放汽车：油-电混型车( HEV: Hybrid Emissions Vehicles)5.
3、移动通讯电源: 卫星、移动站6. 备用电源：公用事业的电话设备需要为其系统配备备用电源。小 型的、分散的备用电源系统更受欢迎，特别是当光纤代替普通的 电线系统以后。7. 军用设备C. 锂电池的发展历史简要介绍：1. 1974 年美国教授 J. Goodenough 发现嵌锂晶体 LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4可以用作电池材料。2. 1985年美国、日本和加拿大生产和销售Li/ LiCoO2、Li/MoS2二次 电池。3. 1989年加拿大公司Moli Energy生产的Li/MoS2二次电池在顾客使 用中发生爆炸，造成人身伤害，全世界从此认识到金属锂电池作为 二次电池的危险性。4.
4、 1990年Sony公司在美国佛罗里达州国际会议上第一次提出锂离子 电池的概念，用石墨代替金属锂作为负极。5. 1993年Sony公司第一次在国际市场上销售锂离子电池。二、锂电池的基本原理电池是将化学能转化为电能的装置。这个转化是直接通过电化学氧化和还原反应来完成的。 电子通过内电路传输并可以用于做功。基本的电化学反应单位是电池单元。 一个电池组包括许多并联的或串联的电池单元。 基本电池单元组成包括：负电极、正电极、电解质、隔膜、外壳负电极材料：石墨和碳粉（C）正电极材料：钴酸锂 LiCoO2电解液：1M LiPF6加溶剂，EC碳酸乙烯酯，DMC碳酸二甲酯，EMC6碳酸甲乙脂，DEC碳酸二乙脂
5、隔膜：聚乙烯PE，聚丙烯PP，或两者混合物外壳：不锈钢或者铝壳。聚合物锂电池用铝复合膜。图 1、锂电池结构示意图隔膜引线正极.负极引线LiCoO2C图 2、充电时锂电池结构示意图e-引线充电机e-引线4隔膜电解质负极 e-, 基片 锂离子Li+e_ 正极I基片L 士外壳12.正极反应：负极反应:C + xLi+ + xe- Li C6X 6LiCoO2 LixCoO2 + xLi+ + xe-图 3、放电时锂电池结构示意图e-e-用电器4隔膜引线引线e-负极电解质e_ 正极基片L 士外壳Z正极反应：负极反应:基片 锂离子Li+Li C C + xLi+ + xe-X 66LixCoO2 + x
6、Li+ + xe- LiCoO2充、放电时的电化学反应描述：1. 充电时正电极(阴极)：氧化反应，向外电路释放出电子和向内电路释 放出锂离子。电子经过外电路和充电机被输送到负电极，与此同时， 锂离子则经过内电路中的电解液和穿过隔膜纸，进入负电极的晶体 结构。因此，正电极中的锂离子数量逐渐减少。但是，电解液中的 锂离子数量没有改变。隔膜纸是电子的绝缘体，离子的透明体。负电极(阳极)：还原反应，同时吸收电子和锂离子。电子和锂 离子在负电极的晶体结构中形成电池中性。2. 放电时正电极(阴极)：还原反应，从外电路获得电子和从内电路吸取 锂离子。电子经过外电路和用电器被输送到正电极，与此同时，锂 离子则
7、经过内电路中的电解液和穿过隔膜纸，回到正电极的晶体结 构。因此，负电极中的锂离子数量逐渐减少，而正电极中的锂离子 数量逐渐增多。但是，电解液中的锂离子数量没有改变。负电极(阳极)：氧化反应，同时释放出电子和锂离子。电子和 锂离子经过内外电路，回到正电极的晶体结构中形成电池中性。电解质通常是液体，但也可以是固体或者胶体，离子导电材料。三、锂电池中的活性和非活性成分从锂电池的结构元件来看，活性成分是正极、负极和电解质。而非 活性成分是基片、隔膜纸、引线和外壳。1. 正极成分活性材料：钻酸锂(LiCoO2)，钻镍酸锂(LiNiCoO2)，锰酸锂(LiMn2O4) 非活性材料：铝基片，导电碳粉，树脂粘
8、结剂(PVDF)，溶剂(DMF)2. 负极成分活性材料：石墨(C),锂合金(LiAl),碳纤维非活性材料：铜基片，导电碳粉，树脂粘结剂(PVDF)，溶剂(DMF)3. 电解液活性材料：锂盐(LiPF6)非活性材料：碳化物溶剂(DMC, EC, EMC, PC, DEC)4. 隔膜纸：聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)多孔膜5. 引线：铝、镍6. 外壳：不锈钢、铝外壳 对活性材料的要求：阳极、阴极需选择高理论能量密度的材料。化学稳定性 对电解液的低溶解性 较高的电子导电能力 低毒 良好的化学反应动力特性 尽可能低的成本 电解液的选择要满足以下要求 在宽的温度范围内高的离子导电率。非常低的电子导电性在
9、整个工作电压和温度范围内有良好的化学稳定性 低毒尽可能比的成本 对非活性材料的要求：基片、隔膜纸、引线和外壳为非活性材料。以上所有组成在工作电 压和温度范围内是稳定的。例如：铝通常是正极的基片（集流器），因为像铝这样在4.2V还保持 稳定的金属很少，铁、镍、铜等在这个电压下已经电腐蚀了。铝不适于 作阳极的集流器原因是铝与锂合金的阳极的电位特性低。 非活性组成部分可能占有电池重量的一部分。 典型的 18650 圆柱型电池活性材料（钴酸锂和碳）有16.5 克，而非 活性组成部分的重量却有23.5克之多。 因此能量密度最多只有理论值的 41%左右。四、高能量密度锂电池设计材料的理论能量密度能量=电流
10、X时间X平均电压=容量X平均电压=瓦小时(毫瓦小时)(A) x (h) x (V)= (Ah) x (V)= Wh(mA) x (h) x (V)= (mAh) x (V)= mWh重量比能量密度=能量容量/质量=瓦小时/公斤(毫瓦小时/克)体积比能量密度=能量容量/体积=瓦小时/升(毫瓦小时/毫升) 为提高能量密度，就必须提高电容量(Ah)，或者提高电压(V)：*单位重量和体积要有高的电容量：新型正极和负极材料 *高电压：正负极材料要有相差大的电极电位，即选择较大电势差的电化学氧 化/还原电对以锌 -氧电池和锂-氧电池为例1.电容量电容量=1法拉第/摩尔对单电子传递反应= 1 法拉第/ 克当
11、量= 96487 库仑/克当量=96487安培秒/克当量 或26.8安培小时/克当量这就意味着克当量低的材料将有高的理论能量密度。所以我们所需要的 材料特性是低克当量和多电子传递。例1：Zn+2 + 2e- = Zn对锌，其摩尔质量是 65.4 克，也就是 32.7 克/当量。理论能量密度为 26.8 安培小时/当量除以32.7 克/当量，等于0.820 安培小时/克。例 2：Li+ + e- = Li对锂，其摩尔质量是 6.94 克，也就是 6.94 克/当量。理论能量密度为 26.8 安培小时/当量除以6.94 克/当量，等于3.862 安培小时/克。2. 电压(或称为电势差、电动势)例如
12、正极：1/2O2 + H2O+2e- = 2OH-E = 0.40V例如负极1： Zn+2 + 2e- = ZnE= -0.763V例如负极2： Li+ + e- = LiE=-3.045v锌-氧电池的电动势EMF为:0.40- (-0.763) = 1.163V 锂-氧电池的电动势EMF为：0.40- (-3.045) = 3.41V3. 能量锌-氧电池和锂-氧电池相比：锌电极理论上重量比容量为0.82安培小时/克锂电极理论质量比容量为3.862安培小时/克 对氧电极，氧的摩尔质量是 32 克，但传递 4 个电子，其当量是 8 克/摩尔。 氧电极的质量比容量是 26.8 安培小时/8 克，既
13、是 3.350 安培小时/ 克。 对锌氧电池1. 锌，其质量比容量是0.82安培小时/克，或者说，每安培小时需 要 1.209 克锌。2. 氧，其质量比容量是3.350安培小时/克，或者说，每安培小时需 要 0.299 克氧。3. 锌-氧电池需要1.219 + 0.299 = 1.519克活性材料才能生成1安培 小时的电量，反过来说，每克活性材料可以产生0 . 65 8安培小时 的电量。4. 锌-氧电池平衡电动势为1.163V。5.理论能量密度即为0.658安培小时/克*1.163V = 1.352瓦小时/克,或1352瓦小时/公斤。对锂-氧电池：1. 锂质量比容量是 3.862 安培小时/克,或者说,每安培小时需要 0.259 克锂。2. 其氧质量比容量是 3.350 安培小时/克,或者说,每安培小时需 要 0.299 克氧。3. 锂-氧电池需要0 . 259 + 0.299 = 0.55 8克活性材料才能生成1安培 小时的电量,反过来说,每克活性材料可以产生1 .792安培小时 的电量。4. 锂-氧电池平衡电动势为 3.41V。5. 锂-氧电池理论能量密度即等于1.792安培小时/克*3.41V =6.110 瓦小时/克,或者6110瓦小时/公斤。非标准状态下的电极电势标准电极电势和非标准状态电极电势的关系可用 Nernst 等式表示： 对
