石墨烯材料及其锂离子电池中的应用精选.ppt

石墨烯材料及其在锂离子电池中的应用 主讲人：程江 重庆文理学院 材料交叉学科研究中心 目录 一、锂离子电池的发展概况 二、石墨烯的简介 三、石墨烯在锂离子正极的应用 四、石墨烯在锂离子负极的应用 五、展望 一、锂离子电池的发展概况 1.1 锂离子电池的发明 在上世纪,干电池及可充电电池在生产、生活、战争、科研活动中都发挥了重要作用。但是废旧电池中含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰及废酸、废碱等，严重污染自然环境，其中镉、铅、汞是对人体危害较大的物质。著名的日本水俣病和骨痛病就分别为汞中毒和镉离子中毒。 1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。今天，锂离子电池成为了便携电子器件的主要电源。锂电池对环境的影响很小，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。 1.2 锂离子电池的工作原理 锂离子电池组成：正极、负极、隔膜、线路和外壳 正负极材料：可供锂离子嵌入和脱出，电极电位正极＞负极 隔膜：通Li+，阻电子 充电：Li+：正极→负极，e：负极→正极 放电：Li+：负极→正极，e：正极→负极 图1 锂离子电池工作原理示意图 1.3 锂离子电池的行业现状 具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点 成为目前综合性能最好的电池体系 并取得了飞速发展。 目前其应用已经渗透到包括移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、等众多民用及军用领域，另外，国内外也在竞相开发电动汽车、航天和储能等方面所需的大容量锂离子二次电池。 2010年，全球锂离子电池为53490吨，其中我国锂离子电池产量超过20亿只， 同比上年增长20%以上。主要市场为手机（增长15%）、航模、蓝牙设备、电动工具和电动自行车（增长20%）、各类数码产品等。 2011年中国锂电池市场规模增速高于全球增速，2011年中国锂电池行业市场规模达到了397亿元人民币，同比增长43%，全年锂电池产量达到29.7亿颗，同比增长28.6%，呈现出快速增长的势头，与锂电池产能向国内转移的行业背景相符。 但是，中国锂电池企业在全球高端市场份额却在减少，竞争力正在减弱，这些问题值得中国电池企业高度重视。2010年在与国际大厂配套方面，2010年日本占42%，韩国占38%,中国占18%。（见表20） 图3 2010年中日韩在与国际大厂配套所占份额 图4 笔记本领域的锂离子电池需求量 图5 手机领域的锂离子电池需求量 图6 电动自行车领域的锂离子电池需求量 图7 电动汽车领域的锂离子电池需求量 锂离子电池电动汽车的发展也将稳步向前，进而带动锂离子电池材料的稳步发展。 根据经济学家预测： 新能源汽车领域锂离子电池需求量将由2009年的0.25GWh爆发式增长至2015年的35.73GWh 。 新能源汽车领域锂离子电池占整个锂离子电池领域也由2009年的1.88%快速跃升至2015年的58.74%。 从2015年开始，电动汽车市场将快速增长，到2020年电动汽车将占整个轿车产量的15-20%，电动车用电池市场将达到400亿美元。 从大体上看看目前锂离子电池遇到的问题： 制造成本高 循环使用寿命低 比容量低于一次电池、镍氢电池等 负极材料容量远高于正极 负极材料价格远低于正极 回收难度大 图8 锂离子电池的成本组成 从电极材料上看锂电池遇到的问题 正极材料 　当前市场常见的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、三元材料(镍钴锰酸锂)和磷酸铁锂。在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁锂是最有前途的正极材料。 主导整个可充电锂电池市场的正极材料——LiCoO2。 优点：工作电压高；充放电电压平稳；比能量高（274 mAh?g-1）；循环性能好。 缺点：Co是战略性稀缺材料，价格昂贵；抗过充电性能较差，存在安全隐患；使用寿命有限，＜500次。 结论：无法满足大规模应用，难以成为理想的动力电池材料。 LiCoO2的替代品——Li3V2(PO4)3和LiFePO4。 优点：材料成本低，电容量大，使用寿命长达2000次以上。 缺点：生产成本高，工艺不成熟，更重要的是内电阻大，无法适应大密度电流放电，难以应用于大功率的动力电池。 负极材料 主导锂离子电池市场的负极材料——石墨 优点：价格低廉，来源广泛。 缺点：电容量小，理论仅为372mAh/g，循环使用衰减大，压实密度低。 未来可能应用的负极材料——非碳基负极材料，例如过渡金属氧化物、硅基材料和合金材料。 优点：电容量远超于石墨。 缺点：存在一个致命的体积膨胀效应，循环性能较差。 表1 几种负极材料的理论比容量 正极材料 理论容量 正极材料 理论容量 石墨 372mAh/g Cu6Sn5 608mAh/g Si 4200