第一课时电池基础知识培训

1第一课时电池基础培训锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中，正极材料的成本大约占整个电池成本的40％左右，正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂离子电池大约只需要5克左右的正极材料，而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500千克的正极材料。衡量锂离子电池正极材料的好坏，大致可以从以下几个方面进行评估：（1）正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压；（2）锂离子能够在正极材料中大量的可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有高的容量；（3）在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化或小发生变化，以保证电池良好的循环性能；（4）正极的氧化还原电位在锂离子的嵌入/脱嵌过程中变化应尽可能小，使电池的电压不会发生显著变化，以保证电池平稳地充电和放电；（5）正极材料应有较高的电导率，能使电池大电流地充电和放电；（6）正极不与电解质等发生化学反应；（7）锂离子在电极材料中应有较大的扩散系数，便于电池快速充电和放电；（8）价格便宜，对环境无污染。锂离子电池正极材料一般都是锂的氧化物。研究得比较多2的有LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，LiFePO4和钒的氧化物等。导电聚合物正极材料也引起了人们的极大兴趣。1、LiCoO2在目前商业化的锂离子电池中基本上选用层状结构的LiCoO2作为正极材料。其理论容量为274mAh/g，实际容量为140mAh/g左右，也有报道实际容量已达155mAh/g。该正极材料的主要优点为：工作电压较高（平均工作电压为3.7V）、充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好，电导率高，生产工艺简单、容易制备等。主要缺点为：价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高。2、LiNiO2用于锂离子电池正极材料的LiNiO2具有与LiCoO2类似的层状结构。其理论容量为274mAh/g，实际容量已达190mAh/g～210mAh/g。工作电压范围为2.5～4.2V。该正极材料的主要优点为：自放电率低，无污染，与多种电解质有着良好的相容性，与LiCoO2相比价格便宜等。但LiNiO2具有致命的缺点：LiNiO2的制备条件非常苛刻，这给LiNiO2的商业化生产带来相当大的困难；LiNiO2的热稳定性差，在同等条件下与LiCoO2和LiMn2O4正3极材料相比，LiNiO2的热分解温度最低（200℃左右），且放热量最多，这对电池带来很大的安全隐患；LiNiO2在充放电过程中容易发生结构变化，使电池的循环性能变差。这些缺点使得LiNiO2作为锂离子电池的正极材料还有一段相当的路要走。3、LiMn2O4用于锂离子电池正极材料的LiMn2O4具有尖晶石结构。其理论容量为148mAh/g，实际容量为90～120mAh/g。工作电压范围为3～4V。该正极材料的主要优点为：锰资源丰富、价格便宜，安全性高，比较容易制备。缺点是理论容量不高；材料在电解质中会缓慢溶解，即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格崎变，造成电池容量迅速衰减，特别是在较高温度下使用时更是如此。为了克服以上缺点，近年新发展起来了一种层状结构的三价锰氧化物LiMnO2。该正极材料的理论容量为286mAh/g，实际容量为已达200mAh/g左右。工作电压范围为3～4.5V。虽然与尖晶石结构的LiMn2O4相比，LiMnO2在理论容量和实际容量两个方面都有较大幅度的提高，但仍然存在充放电过程中结构不稳定性问题。在充放电过程中晶体结构在层状结构与尖晶石结构之间反复变化，从而引起电极体积的反复膨胀和收缩，导致电池循环性能变坏。而且LiMnO2也存在较高工作温度下的溶解问题。解决这些问题的办法是对LiMnO2进行掺杂和表面修饰。目前已经取得可喜进展。4、LiFePO4该材料具有橄榄石晶体结构，是近年来研究的热门锂离4子电池正极材料之一。其理论容量为170mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110mAh/g。通过对LiFePO4进行表面修饰，其实际容量可高达165mAh/g，已经非常接近理论容量。工作电压范围为3.4V左右。与以上介绍的正极材料相比，LiFePO4具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且价格低廉。LiFePO4的主要缺点是理论容量不高，室温电导率低。基于以上原因，LiFePO4在大型锂离子电池方面有非常好的应用前景。但要在整个锂离子电池领域显示出强大的市场竞争力，LiFePO4却面临以下不利因素：（1）来自LiMn2O4、LiMnO2、LiNiMO2正极材料的低成本竞争；（2）在不同的应用领域人们可能会优先选择更适合的特定电池材料；（3）LiFePO4的电池容量不高；（4）在高技术领域人们更关注的可能不是成本而是性能，如应用于手机与笔记本电脑；（5）LiFePO4急需提高其在1C速度下深度放电时的导电能力，以此提高其比容量。（6）在安全性方面，LiCoO2代表着目前工业界的安全标准，而且LiNiO2的安全性也已经有了大幅度的提高，只有LiFePO4表现出更高的安全性能，尤其是在电动汽车等方面的应用，才能保证其在安全方面的充分竞争优势。下表对不同锂离子电池正极材料的性能进行了比较。不同锂离子电池正极材料性能比较590～1203～4好2003～4.5好110～1653--4很好正极材料理论容量（mAh/g）实际容量（mAh/g）工作电压（V）安全性能成本LiCoO2274140～1552.5-4.2一般高LiNiO2274190～2102.5～4.2差居中LiMn2O4148低LiMnO2286低LiFePO4170低尽管从理论上能够用作锂离子电池正极材料种类很多，但目前在商业化生产的锂离子电池中最广泛使用的正极材料仍然是LiCoO2。层状结构的LiNiO2虽然比LiCoO2具有更高的比容量，但由于它的热分解反应导致的结构变化和安全性问题，使得直接应用LiNiO2作为正极材料还有相当的距离。但用Co部分取代Ni获得安全性较高的LiNi1-xCoxO2来作为正极材料可能是将来一个重要的发展方向。尖晶石结构的LiMn2O4和层状结构的LiMnO2由于原材料资源丰富、价格优势明显、安全可*而被认为是极具市场竞争力的正极候选材料之一。但其存在的充放电过程中结构不稳定性问题将是将来的重要研究课题。具有橄榄石结构的LiFePO4目前的实际放电容量已达理论容量的95％左右，并且具有价格便宜、安全性高、结构稳定、无环境污染等优点，被认为是大型锂离子电池中极有希望的候选正极材料。但由于LiFePO4理论容量的限制使其不大可能用于高容量的小型锂离子电池中1、一次电池和充电电池有什么区别？电池内部的电化学性决定了该类型的电池是否可充，根据它们的电化学成分和电极的结构可知，真正的可充电电池的内部结构之间所发6生反应是可逆的。理论上，这种可逆性是不会受循环次数的影响，既然充放电会在电极体积和结构上引起可逆的变化，那么可充电电池的内部设计必须支持这种变化，既然，一次电池仅做一放电，它内结构简单得多且不需要支持这种变化，因此，不可以将一次电池拿来充电，这种做法很危险也很不经济，如果需要反复使用，应有尽有选择真正的循环次数在1000次左右的充电电池，这种电池也可称为一次电池或蓄电池。2、一次电池和二次电池还有其他的区别吗？另一明显的区别就是它们能量和负载能力，以及自放电率，二次电池能量远比一次电池高，然而他们的负载能力相对要小。3、可充电便携式电池的优缺点是什么？充电电池寿命较长，可循环1000次以上，虽然价格比干电池贵，但如果经常使用的话，是比较划算的。充电电池的容量比同规格的碱锰电池或锌碳电池低，比如，他们放电较快。另一缺点是由于他们几近恒定的放电电压，很难预测放电何时结束。当放电结束时，电池电压会突然降低。假如在照相机上使用，突然电池放完了电，就不得不终止。但另一方面可充电电池能提供的容量比大部分一次电池高。7但Li-ion电池却可被广泛地用照相器材中，因为它容量高，能量密度大，以及随放电深度的增加而逐渐降低的放电电压。4、充电电池是怎样实现它的能量转换？每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存的化学能直接转换成电能，就二次电子（也叫蓄电池）而言（另一术语也称可充电使携式电池），在放电过程中，是将化学能转换成电能；而在充电过程中，又将电能重新转换成化学能。聚合物锂离子电池是一种新型的可充电便携式电池。它的额定电压为3.6V(或者说是3.7V)，它的放电电压会随放电的深度逐渐衰退，不象其他充电电池一样，在放电未，电压突然降低。5、什么是Li-ion电池？锂电池的正极材料是锂金属，负极是碳。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion又叫摇椅式电池。6、Li-ion电池有哪几部分组成？（1）电池上下盖（2）正极——活性物质为氧化锂钴（3）隔膜——一种特殊的复合膜（4）负极——活性物质为碳（5）有机电解液（6）电池壳（早期为分为钢壳和铝壳两种,目前来讲主要为软包装）7、Li-ion电池有哪些优点？哪些缺点？Li-ion具8有以下优点：1）单体电池的工作电压高达4.2V：2）比能量大，目前能达到的实际比能量为100-115Wh/kg和240-253Wh/L（2倍于Nl-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400Wh/L3）循环寿命长,一般均可达到300次以上(70%),甚至2000-3000次(动力电池).4）安全性能好,无公害,无记忆效应：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。5）自放电小室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右(正常锂电池存放一个月放电容量95%,一年为80%,军品为95%)，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。Li-ion也存在着一定的缺点，如：1）电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。2）不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用(目前有量产大电流放电电池既高倍率电池,可打15C或者20C以上,主要用在航模上,价格相对昂贵)。3）需要保护线路控制。9A、过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命(LiCoO2极其不稳定,形成大量锂离子聚集；同时过充电使电解液分解(产生大量气体),从而内部压力过高而导致(1.漏液2.盒体破裂,锂离子与空气中水分和氧气接触,发生燃烧)等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电；注意(充电电压超过充电限制电压,正极活性物质中会有过量的锂离子脱嵌,其晶型结构难以稳定,甚至引起晶型瘫塌。与此同时电解液分解加速,电池析气速率随着增大。如此,电池的放电容量很快衰退,电池寿命缩短。锂离子电池过充时,电池电