学习情境四 锂离子动力电池知识探索.pptx

学习情境四锂离子动力电池知识探索;;学习任务1锂离子电池的基本结构认知;知识准备：

锂离子电池的主要构成材料包括电解液、隔离材料、正负极材料等。正极材料占有较大比例（正负极材料的质量比为3:1～4：1）,因为正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。;问题引导1：锂离子电池的基本结构是什么？;锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料，使用非水电解的电池。锂离子电池根据正极材料的不同，分为有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元材料锂离子电池等。三元材料锂离子电池以其能量密度高、安全性好等优点在电动汽车上得到了广泛的应用。;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正极材料、负极材料、电解液、隔膜和导电材料等，如图4-2所示。其中正、负极材料的选择和质量直接决定了锂离子电池的性能与价格。因此，廉价、高性能正、负极材料的研究一直是锂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。;图4-2锂离子电池的结构;1.正极材料

正极活性物质一般为锰酸锂、钴酸锂或者镍钴锰酸锂材料，电动自行车普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10～20um的电解铝箔。

在目前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％，正极材料价格的高低直接决定着锂电池价格的高低，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5g正极材料，而驱动一辆电动汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500kg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：

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地、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???，正极材料的结构应尽可能不发生变化或较小地发生变化，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嵌入/脱嵌过程中的变化应尽可能小，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。研究比较多的有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和钒的氧化物等。导电聚合物正极材料也引起了人们的极大兴趣。

（1）钴酸锂

目前商业化生产的锂离子电池基本上都选用层状结构的钴酸锂作为正极材料，其理论容量为274mA·h/g，实际容量为140mA·h/g左右，也有报道称其实际容量已达155mA·h/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）镍酸锂

用于锂离子电池正极材料的镍酸锂具有与钴酸锂类似的层状结构，其理论容量为274mA·h/g，实际容量已达190～210mA·h/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，与钴酸锂相比价格便宜等。但镍酸锂具有致命的缺点：镍酸锂的制备条件非常苛刻，这给镍酸锂的商业化生产带来相当大的困难；镍酸锂的热稳定性差，在同等条件下与钴酸锂和锰酸锂正极材料相比，镍酸锂的热分解温度最低（200℃左右），且放热量最多，这给电池带来很大的安全隐患；镍酸锂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。这些缺点使得镍酸锂作为锂离子电池正极材料商业化生产还有一段相当远的路要走。;（3）锰酸锂

用于锂电池正极材料的锰酸锂具有尖晶石结构，其理论容量为148mA·h/g，实际容量为90～120mA·h/g。工作电压范围为3～4V。该正极材料的主要优点为原材料锰资源丰富、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，材料容易发生晶格畸变，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286mA·h/g，实际容量为200mA·h/g左右，工作电压范围为3～4.5V。虽然与尖晶石结构的锰酸锂相比，LiMnO2在理论容量和实际容量两个方