新能源材料与器件课程设计.docx

锂离子动力电池设计的目的和任务大功率动力电池设计的目的是运用本专业的基础知识，做相应的自主练习，消化课堂上所学习的内容。进一步巩固、深化、扩展本专业课所学到的理论知识，培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工艺设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法以及计算和编写设计文件的能力。大功率动力电池设计的任务是从原料选择、设计原理、制备工艺、封装条件、工作情况等方面进行系统调研，并设计出相应的电池器件。从设计目的出发，通过查阅资 料、课题讨论、技术交流等方式，逐渐设计出合理、科学的新能源器件，培养初步的科研思维和科研能力；通过这一综合训练，使学生对实际的新能源产品有初步的、宏观的认识和理解，为的毕业设计乃至实际生产工艺设计奠定必要的基础。电池正负极材料的选择正极材料选用尖晶石材料LiNi0.5Mn1.5O4。镍锰酸锂（化学式：LiNi0.5Mn1.5O4），尖晶石结构正极材料，充放电电压区间为3.5V~5.2V，理论克容量146.7mAh/g，实际克容量≥130mAh/g，电压平台在4.7V， 是新一代高能量密度锂离子电池正极材料。具体参数见表2.1：表2.1 镍锰酸锂正极材料基本参数类型XNN22XNN66XNN79粒径/um1~24~610~15振实密度/(g/cm3)比表面积/(m2/g)扣电容量/（mA/g.0.2C.3.5~5.2V）2C/2C扣电容量10C/10C扣电容量N/A 一般将充放电平台在4.5V以上的锂离子电池正极材料称为高电位正极材料或5V正极材料，根据目前的研究结果，这类高电位正极材料主要有尖晶石LiMXMn2-XO4(这里0,M为铁、铜、钴、镍及其同族的过度金属元素)、及其其他一些层状结构材料。其中具有4.7V电压平台的尖晶石型锰酸锂材料，无论从理论计算还是实验室制备研究中均被证实具有优异的应用前景，是目前高电位开发的一个热点。具有5V级充放电平台的高电位材料镍锰酸锂因比传统的的钴酸锂电压（3.7V）高30%以上，适合大功率电池需要。经过多年的发展，随着高电位材料配套技术的发展，高电位材料镍锰酸锂逐渐从技术、基础化学性能研究等走向使用化开发。例如，日本大阪城市大学的Ohzuku与SANYO电子合作组装的“镍锰酸锂-石墨”电池在2C下循环2000次后还有90%的容量保持率。图2.1 天然石墨电极循环伏安曲线图2.2 石墨烯循环伏安曲线负极采用新型纳米材料石墨烯。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。石墨烯在0.2 mA/cm2的电流密度下，经过30个循环后放电比容量保持在609mAh/g ，在大电流密度下放电容量仍然能保持576 mAh/g，比表面积为2600m2/g。表明石墨烯负极材料具有优异的倍率性能。图2.1和图2.2给出了天然石墨和石墨烯做锂离子电池负极材料在0.2 mA/cm2 和1 mA/cm电流密度下的循环性能。由于石墨烯首次充放电形成稳定的SEI 膜，要消耗大量的能量，因此首次库伦效率低于天然石墨。石墨烯经过2个循环形成稳定的 SEI 膜后，库伦效率稳定在94%以上，实现高效率的充放电循环。经过30个循环，0.2 mA/cm2和1 mA/cm电流密度下的比容量分别维持在609 mAh/g 和576 mAh/g；这要远高天然石墨322mAh/g和 75.4 mAh/g。镍锰酸锂正极石墨烯负极锂离子电池工作原理一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。当以石墨烯为负极材料，以LiNi0.5Mn1.5O4为正极材料时，其充放电原理为：正极反应：LiNi0.5Mn1.5O4 ==?Li1-XNi0.5Mn1.5O4 ?+?xLi+?+?xe-负极反应：6C?+?2Li+?+?2e-?==?Li2C6?电池总反应：2LiNi0.5Mn1.5O4?+?6xC?== 2Li1-XNi0.5Mn1.5O4?+?xLi2C6?放电为上述反应的逆反应大功率动力电池生产工艺从图3可以看出制造锂电子动力电池的关键装备有三类，一种用于制造电极材料，如涂布机、隔膜及极片分切、成型机等，这些智能化高精密度装备的应用，能够极大提升电极材料的物化性能以及外表质量，有利于实现电池能量存储性能和电池使用期限方面的突破；一种用于制造电池单元，中型、大型尺寸的卷绕机、叠片机、焊接机、注液机等，这些装备的自动化水平的提高有利于帮助锂离子动力电池产业突破