锂电驱动未来-周光敏（先进炭材料研究部）.PPT

锂电驱动未来 应用领域 锂离子电池在生活中的应用 锂电池在生活中的应用 1972 年，Exxon 公司M. S. Whittingham 首先推出了以金属锂为负极，TiS2 为正极的锂金属二次电池。然而，由于锂在充放电过程中容易在电极表面不均匀沉积，形成枝晶，导致严重的安全问题，这种锂金属二次电池最终没有实现商品化。此后，围绕如何解决锂二次电池安全性问题进行了长期的研究。 锂二次电池的产生 M S Whittingham, Science，1975，192, 1226 Manley Stanley Whittingham 1941年出生，于牛津大学获得BA?(1964),? MA?(1967) 和?Dr (1968)学位，目前就职于宾汉姆顿大学。 M. B. Armand Materials for Advanced Battery New York： Plenum，1980. 　　1980 年，Armand 等人提出了用嵌入和脱出物质作为二次锂电池正负极的新构想，即采用低插锂电位的LiyMnYm 层间化合物代替金属锂作为负极，以高插锂电位的嵌锂化合物AzBw 作为正极，组成没有金属锂的电池。充放电过程中锂离子在正负极间来回穿梭，反复循环，相当于锂的浓差电池。 　　当对电池进行充电时，正极的含锂化合物中锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。负极的炭材料呈层状结构，到达负极的锂离子嵌入到碳层中，形成LixC6，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。当对电池进行放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。 锂离子（摇椅式）电池的提出 充电时，外界电流从负极流向正极，相应地锂离子从LiCoO2 中脱嵌，经过电解液，透过隔膜，到达负极，嵌入负极的石墨中。放电时，锂离子从石墨脱插，经过电解液和多孔隔膜后，最终插入到正极材料中，相应地电流从正极经外界负载流向负极。 锂离子电池充放电原理 　　Armand教授是锂离子电池的奠基人之一，是国际学术和产业界公认的、在电池领域具有原始创新成果的电池专家。Armand教授主要原创性学术贡献有：1. 1977年，首次发现并提出石墨嵌锂化合物作为二次电池的电极材料。在此基础上，于1980年首次提出“摇椅式电池”概念，成功解决了锂负极材料的安全性问题。日本Sony公司正是在此概念指导下，于1990年完成了“摇椅式电池”从基础研究到产业化的突破，实现了锂离子电池的应用。2. 1978年，首次提出了高分子固体电解质应用于锂电池。3. 提出了碳包覆解决磷酸铁锂（LiFePO4）正极材料的导电性问题，为动力电池及电动汽车的产业化奠定了基础。 Michel Armand 相关发明人 锂离子电池的商品化 　　1990 年日本SONY 能源技术公司开始了以石油焦为负极，LiCoO2 为正极的锂离子电池的商业化生产，并首次提出了“锂离子电池”这一全新的概念，并于1991 年5月投放市场。其锂电池体系实现了商业化，并最终被广为接受。 Nagaura, T. Tozawa, K. Lithium ion rechargeable battery. Prog. Batteries Solar Cells 9, 209(1990) 锂离子电池类型 圆柱型锂离子电池 纽扣锂离子电池 薄膜锂离子电池 方型锂离子电池 J.-M. Tarascon, Nature, 2001,414, 359 J-M. Tarascon 　　Jean-Marie Tarascon教授是发明聚合物锂离子电池的鼻祖，他开创了将软包装应用于锂电池的先例从而使得聚合物锂离子电成为目前的主流电池产品。 　　Tarascon教授于1980年在美国康奈尔大学毕业，后在法国波尔多大学获得固态化学博士学位，之后他加入举世闻名的美国贝尔实验室。90年代初期，Tarascon研究小组研制了用于高电位正极材料的电解液，从而创造了以铝箔包装锰酸锂锂离子电池为特征的BELLCORE 技术。1994年，Tarascon应邀回法国担任庇卡底大学的教授。 相关发明人 锂离子电池的主要组成部分 正极材料、负极材料、隔膜、电解质 锂离子电池对正极材料的要求 1) 正极材料必须起到锂源的作用，它不仅要提供在可逆的充放电过程中往返于正负极之间的锂离子，而且还要提供首次充放电过程中在石墨负极表面形成SEI 膜时所需消耗的锂离子； 2) 提供较高的电极电位，这样电池输出电压才可能高； 3) 在整个电极过程中，电压平台稳定，以保证电极输出电位的平稳； 4) 为使正极材料具有较高的能量密度，要求正极活性物质的电化当量小，并且可以可逆脱嵌的锂离子量要大； 5) Li+在材料中的化学扩散系数高，电极界面稳定，具有高功率密度，使锂电池可适用于较高的充放电倍率，