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锂离子电池负极材料 碳包覆二氧化锡 报告人:张飞虎 专业:无机化学 锂离子电池的特点 锂离子电池具有以下特点: (1) 工作电压高。锂离子电池的电压一般在3.6 V ,是镍镉、镍氢电池工作电压的3 倍。 (2) 能量密度高。锂离子电池的能量密度应达到180 Wh/kg ,是同等质量下镍镉电池的3 倍,镍氢电池的1.5 倍。 (3) 循环寿命长。锂离子电池通常具有1 000多次的循环寿命,是镍镉、镍氢电池的2 倍。 (4) 自放电率小。锂离子电池在首次充电的过程中会在碳负极上形成一层固体电解质钝化膜(SEI) ,它只允许离子通过而不允许电子通过,因此可以较好地防止自放电,使得贮存寿命增长,容量衰减减小。一般其月自放电率为2 %~3 % ,远低于镍镉电池(25 %~30 %) 及镍氢电池(20 %) 。 (5) 允许温度范围宽,具有优良的高低温放电性能,可在- 20 ℃~ + 60 ℃之间工作。 (6) 无环境污染。锂离子电池中不含有铅、镉等有毒、有害物质,是真正的绿色环保电池。 (7) 无记忆效应。记忆效应指电池用电未完时再充电时充电量会下降,而锂离子电池不存在镍镉、镍氢电池的记忆效应,可随时充放电,而不影响其容量和循环寿命。 由于锂离子电池具有以上优良的性能,因此它在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面均展示了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益,被称为21 世纪的理想电源。 锂离子电池与其他电池的参数对比 应用领域 锂离子电池因其具有优良的特性而成为目前综合性能较好的电池体系,并广泛地应用于许多高能便携式电子设备上。民用领域已从信息产业(移动电话、笔记本电脑等)扩展到能源交通(电动汽车等)。而在国防军事领域,锂离子电池则涵盖了海(潜艇、水下机器人)、陆(单兵系统、陆军战车、军用通信设备)、空(无人机)、天(卫星、飞船)等诸多兵种,成为现代和未来军事装备不可缺少的重要能源。随着各国军队向信息化、自动化和远程控制的作战方向转变,未来锂离子动力电池也将获得更大规模的使用。 近年来,多功能便携式和高能量电子设备的消费量逐年剧增(手机、随身听、笔记本电脑、摄像机等)。据中国信息产业部统计,截至2005年1O月底,中国移动电话用户已经超过3.83亿,每部手机一般都配有两块电池,即具有超过7.6亿块电池的市场,如若每块电池使用负极材料6 g来估算,则需要负极材料约4600 t。目前,小型锂离子电池市场还处于持续快速增长阶段,1994年锂离子电池的全球产量为0.12亿颗,到2005年则上升为25.55亿颗(在过去12年中增加了200多倍),预计2010年全球年需求量将达到35亿颗以上。由此可见锂离子电池的市场前景非常广阔。 锂离子电池简介 锂离子二次电池于20 世纪90 年代初由日本SONY公司率先研制成功并实现商品化。所谓锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入和脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。电池在充电时,Li + 从正极中脱出,通过电解液和隔膜,嵌入到负极中。反之,电池放电时,Li +由负极中脱嵌,通过电解液和隔膜,重新嵌入到正极中。由于Li +在正负极中有相对固定的空间和位置,因此电池充放电反应的可逆性很好,从而保证了电池的长循环寿命和工作的安全性。 锂离子电池工作原理图 锂离子电池的结构 (1)正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,现在又出现了镍钴锰酸锂材料,电动自行车则用磷酸铁锂,导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔 (2)隔膜——一种特殊的复合膜,可以让离子通过,但却是电子的绝缘体 (3)负极——活性物质为石墨,或近似石墨结构的碳,导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔 (4)有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂,聚合物的则使用凝胶状电解液 (5)电池外壳——分为钢壳(现在方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等,还有电池的盖帽,也是电池的正负极引出端 锂离子负极材料 负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一。目前,商业化碳负极材料存在的主要问题是:实际比容量低(约为300~330 mAh/g,理论比容量为372 mAh/g)、首次不可逆损失大、倍率放电性能差等,其组装电池已远远不能满足实际需求。尽管人们对碳材料进行了掺杂改性或表面处理,但是碳材料储锂能力低是导致其实际比容量难以提高的根本原因。因此,积极探索比容量高、容量衰减率小、安全性能好的新型锂离子电池负极材料体系,已为国际上研究的热点。文章对锂离子电池的工作原理和应用领域作了简要概述,并对其负极材料的研究概况进行了综述。 负极材料的研究进展 下面对包括 碳材料 氧化物负极材料 金属及合金类负极材料 复合
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