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循环性能 一般要求： 常温300次（20％容量衰减） 环境影响： 30－40度表现最佳，50度衰减加速较大 为什么会衰减？ 材料 界面 锂离子电池 汉格电池 任宏君 2017.8.15 锂离子电池的历史 人类对便携能源的追求：高能量密度，高性能，方便快捷，经济环保 不懈追求高能电池 锂电池 聚合物电解质 安全问题 炭负极 聚合物锂离子 繁荣的锂离子电池 石墨负极锂离子 Li 固体电解质 安全活性材料 二次电池 70年代 1989 年 1993 年 90 年代 应用领域的深化和拓展 锂离子电池应用 锂离子电池种类 按外形：圆柱形、方形、异形 按包装材质：钢壳、铝壳、铝塑软包装 按电解液：液态锂离子、凝胶聚合物、固体聚合物 按构造：层叠式、卷绕式 按性能：高能量、高功率（高倍率） 按应用：便携小器件、电动能源 锂离子电池特点 优点： 能量密度高 单电池电压高 污染小，绿色环保 不足: 安全（在逐步提高） 价格（现在很便宜了） 锂离子电池的构造 五要素： 正极材料：含锂的过渡族金属化合物 负极材料：炭材料 隔离膜：PP、PE类 电解液：含锂盐的有机电解液 包装：软包装、钢壳、铝壳 锂离子电池正极材料 种类： Ni、Co、Mn的化合物：钴酸锂，镍锰钴锂，镍钴锂，尖锰 磷酸盐类：磷酸铁锂，磷酸钒锂 结构： 层状结构 三维隧道结构 特点（钴酸锂）： 蓝黑色固体粉末 易吸潮 真实密度～5g/cc，振实密度～2.5g/cc，粒度～8um 容量～140mAh/g 钴酸锂 钴原子层、氧原子层和锂原子层交替堆叠而成的层状晶体结构 化学式：LixCoO2 通过高温烧结制造的陶瓷材料 钴 氧 锂 钴酸锂的电性能 可逆容量：~140mAh/g 平台: ~3.9-4.0V 电压范围: ~3.0-4.3V 0 150 50 100 3 4 V mAh/g Irr Rev 首次充电 首次放电 钴酸锂的电性能 LiCoO2 过充区域 安全使用范围 3.0 4.0 5.0 LiCoO2 Li0.5CoO2 Li0.8CoO2 极度危险区域 完全失效区域 0mAh/g 137mAh/g 200mAh/g 锂离子电池负极材料 种类： 炭材料家族：人造石墨、天然石墨、硬炭 非炭类：硅炭、锡合金 结构（石墨）： 层状结构 特点： 黑色固体粉末 真实密度～2.2g/cc，振实密度～1.1g/cc，粒度～20um 容量～340mAh/g 石墨和石墨层间化合物 锂离子存储在石墨层中，以一定的结构形式存在，形成化合物LixC6(0≤x ≤ 1) ，称之为石墨层间化合物（GICs)，不同x对应不同状态GICs。 石墨的电性能 几个平台？ 平台：0.3-0.05V 可逆容量：~300-360mAh/g 不可逆容量：首次充电过程损失部分 Rev Irr SEI 充电后的负极石墨 颜色变化 黑色－－淡蓝色－－黄褐色－－金黄色 观察我们的负极 化学活性 非常活泼，遇空气易氧化，遇水剧烈反应 拆电池时要注意 热稳定性 温度越高越活泼，热稳定性差 锂离子电池电解液 溶剂－有机碳酸脂溶剂 环状脂：EC、PC、GBL 链状脂：DEC、DMC、EMC、MPC 盐－大阴离子锂盐 LiPF6、LiBF4 特点： 密度：～1.2g/cc 电导率：~8mS·cm 粘度：～3.5mPa·s（大约是水的三倍） 要求极低的水分含量（我们在充氮气手套箱中灌注电解液） 控制HF含量 锂离子电池电解液 电解液作用 环状脂的作用： 电解质盐强电离溶剂 高沸点 链状脂的作用： 稀释电解液 部分电离盐的作用 一般使用状态： 25－50％环状脂＋75－50％链状脂 1M LiPF6 水分、HF20ppm 电解液对电池的影响 SEI 电解液对SEI层质量起主导作用 内阻 产生一定的内阻 大电流时的浓差极化较大 热稳定性 高温时部分溶剂可能气化，鼓胀电池 盐在高温下分解加速 安全 有氧化燃烧的危险 锂离子电池隔离膜 多孔有机高分子膜（某些聚合物电池例外）：PP膜、PE膜、复合膜 特点： 孔隙率：～45％ 孔径：0.5um 强度：MD，TD 厚度：～20um 收缩率：～2％ 隔离膜 隔离膜对电池性能的影响和如何避免 内阻：影响离子传导有效面积和距离 自放电 安全问题 隔离膜在电池中会老化吗？ 我们的集流体 粉末正、负极材料的家 构成电极的一部分 汇集电流 正极：铝箔 负极：铜箔 包装箔有几层？ 我们的包装箔是多层铝塑复合材料 每层有各自的功能 对包装箔的保护要注意哪些方面？ 尼龙层 铝箔层 PP层 尼龙层 铝箔层 PP层 铝塑包装箔 锂离子电池工作原理 锂离子在正、负极之间循环旅游，这个旅游过程表现为电池放电或充电 充电 放电 负载 e e Discharge Charge Electrolyte e e