刘庆国-从材料角度探讨锂离子电池材料问题和解决途径.ppt

锰酸锂正极材料的优点和问题 1、资源丰富，价格低，是磷酸铁锂的1/3-1/4； 2、易于大批量生产，产品一致性较好； 3、安全性好。 1、循环性能比磷酸铁锂差； 2、储存过程容量衰减，产生不可逆的容量损失； 3、高温条件下，循环性能和储存性能更差。 通过多年的努力，锰酸锂正极材料的循环性能和储存性能得到较大的改善。循环性能基本满足要求，但存储容量衰减仍是制约锰酸锂大量应用的瓶颈。 强能LTO/LMO电池循环2000次容量保持率87% * * 从材料角度探讨 锂离子电池问题和解决途径 北京科技大学材料学院 河北赵县强能电源有限公司 刘庆国qliu9022@126.com 3.43 8.7 200 23 锂离子 　 0.68 980 14,400.00 铅酸（万KWh) 0.89 5.79 55 9.5 镍氢 0.78 5 20 4 镍镉 0.11 0.82 84 115 硷锰 0.06 0.48 100 206 锌锰 出口单价 (美元） 单价 （元） 销售价 （亿元） 产量 （亿只） 2011年电池生产和销售 我国锂离子电池用正极材料 根据统计，2011年我国正极材料的总产量33000吨其中钴酸锂：18800吨，三元材料：6270吨，锰酸锂：4950吨，磷酸铁锂：2300吨，其他：660吨。 2% 4% 5% 5% 6% 其他 7% 5% 5% 4% 2% 磷酸铁锂 19% 18% 15% 12% 3% 三元 15% 13% 8% 10% 8% 锰酸锂 57% 60% 68% 69% 81% 钴酸锂 33000 27500 15600 15300 11800 总产量（吨） 2011 2010 2009 2008 2007 　 便携IT电源，服务时间是品质的重要指标，为增加手机通话和待机时间，笔记本的持续工作时间，要在有限的容积内，装入尽可能的高容量和高电压电池。电源的体积比能量就成为便携IT电源的首要指标。 电动汽车，甚至锂电池电动自行车，发生过各种事故。 电池越大，串并联越多，故障越多，危险性越大。动力电池的研发和产业化，应将安全性放到首要地位。任何恶性事故的发生，都会推迟锂离子在储能电站和电动汽车的进程 。 便携IT电源体积比能量是第一位的 动力电池的安全性应放在首要地位 锂离子电池有五个主要组成部分 负极： 天然和人造石墨、软碳、硬碳、LTO 正极： LCO、NMC、LNO、LMO、LFP、LMNO 电解液： EC基、PC基 隔膜： PP、PE、有机复合膜、有机无机复合膜 外包装： 软包装，圆形，方形 本文主要从材料学角度讨论，正负极材料和电解液对锂离子电池的影响，探讨存在问题和解决途径。 商品化 正在商品化 研发中 石墨为负极的锂离子电池，锂插入层间的电位和金属锂接近。在充电过程中，在负极常有金属锂的析出（特别是大电流充电条件下），会形成锂枝晶，造成电池短路。 析出的金属锂，会和电解液会发生反应，产生大量热量。充电后的碳负极单独和电解液放在一起，温度升到170-180oC，会产生燃烧或爆炸。 模拟半电池实验 100%充电后解剖 LiCoO2电池 Coated-LiNiO2电池 LiMn2O4电池 模拟半电池的制作 石 墨 手套箱 添加电解液 添加电解液 正极片 负极片 LiCoO2 Coated-LiNiO2 电解液 LiMn2O4 负极 半电池 石墨 电解液 正极 半电池 热 箱 实 验 半电池模拟实验 整电池与模拟半电池的最低爆炸温度实验结果对比 石墨/LiCoO2电池 石墨/coated-LiNiO2电池，高温下发生爆炸主要是由于正极和电解液发生剧烈反应导致的 140 150 130 140 165 180 180 180 石墨/LiMn2O4电池 主要是由于负极引起 λ-MnO2高度稳定 沉积负极表面的金属锂在180℃左右发生熔化 石墨层间为范德瓦尔力结合，锂离子的快速插入常会引起石墨层的剥离。快速充电，石墨表面层间大量膨胀，会大大降低负极循环寿命。一是膜结构为主题的负极材料，可实现快速放电，但快速充电见引起电池寿命大为降低 。 石墨基体的负极，不能快速充电，快速充电将会引起表面石墨层的膨胀结构破坏。以石墨为负极的传统锂离子电池，不适合HEV和PHEV。 硬碳是快速充放电动力电池的较好选择，但压实密度小，价格较高。 Li+ Li+ Li+ 为防止石墨发生层间剥离，在电解液中要加入30-40%EC，形成稳定的SEI膜。EC有高的熔点和粘度，须加入DMC、DEC、EMC等低熔点、低黏度有机溶剂，才能获得满意的性能。 0.65