锂离子电池材料

2018-08-01 15:35 admin 339

    锂是锂离子电池的核心,它是最轻的金属元素,金属锂的比重只有水的一半,铝是较轻的金属,锂的比重只有铝的五分之一。锂的电负性是所有金属中最负的,锂离子的还原电位高达-3V。根据计算,1克锂转化为锂离子时所能得到的电荷数为3860mAh。锂电池的研究可追溯到20世纪50年代,于70年代进入实用化,因其具有比能量高、电池电压高、工作温度范围宽、储存寿命长等优点,已广泛应用于军事和民用电器中。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是:两种电池采用一种能使锂离子嵌入和脱出的金属氧化物或硫化物作为正极,采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是:在锂离子电池中采用可使锂离子嵌入和脱出的碳材料代替纯锂作为负极。锂电池的负极(阳极)采用金属锂,在充电过程中,金属锂会在锂负极上沉积,产生枝晶锂。枝晶锂可能穿透隔膜,造成电池内部短路,以致发生爆炸。为克服锂电池的不足,提供电池安全可靠性,于是锂离子电池应运而生。

    锂离子电池的优点主要表现在:体积小、重量轻、能量密度高、输出功率大;平均输出电压高(约3.6V),为Ni-Cd、Ni-MH电池的三倍;工作温度范围宽,一般能在-20-45℃,期望值为-40-70℃;无记忆效应;可快速充放电,充放电效率高,可达100%;无环境污染;

    锂离子电池是指其中的Li+嵌入和脱逸正负极材料的一种可充放电的高能电池,其正极材料一般采用插锂化合物,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O、LiFePO4等,负极采用锂-碳层间化合物LixC6,电解质为了溶解锂盐(如LiPF6、LiAsF6、LiClO4等)的有机溶剂。溶剂主要有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)和氯碳酸酯(ClMC)等。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,被形象称为“摇椅电池”(Rocking Chair Batteries,缩写为RCB)或“羽毛球电池”,如图所示。



    锂离子电池的化学表达式为:(-)C∣ LiPF- EC + DEC ∣ LiMXOy(+)


    充电


    其电池反应则为:LiMXO+ nC   ?     Li 1-x MXO+ LixC  
     
    放电


    锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池,充电时,Li+从正极脱出,经过电解质嵌入到负极,负极处于富锂状态,正极处于贫锂状态,同时电子的补偿电荷从外电路供给碳负极,以确保电荷的平衡。即负极得到电子,属还原反应,而正极失去电子,属氧化反应;放电时则相反,Li+从负极脱出,经过电解质嵌入到正极,正极处于富锂状态,即正极得到电子,属还原反应,而负极失去电子,属氧化反应。在正常的充放电情况下,锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出,一般只引起材料的层面间距变化,不破坏其晶体结构,在充放电过程中,负极材料的化学结构基本不变。因此,从充放电反应的可逆性看,锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。

    锂离子电池各组件或材料要求:

    ①正极





    ②负极



          ③隔膜:

    放置于两极之间,作为隔离电极的装置,藉以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路。但隔膜仍需能让带电离子通过,以形成通路。

    要求:离子透过度大; 机械性强度适当; 本身为绝缘体; 不与电解液及电极发生反应。

    材料:单层PE(聚乙烯)或者三层复合PP(聚丙烯)+PE+PP

    厚度:单层一般为0.016~0.020mm

    三层一般为0.020~0.025mm

    ④ 电解液

    性质:无色透明液体,具有较强吸湿性。

    应用:主要用于可充电锂离子电池的电解液,只能在干燥环境下使用操作(如 环境水分小于20ppm的手套箱内)。

    规格:溶剂组成 DMC:EMC:EC =1:1:1 (重量比)

    LiPF6浓度 1mol/l

    质量指标:密度(25℃)g/cm    1.23±0.03

    水分(卡尔费休法)     ≤20ppm

    游离酸(以HF计)       ≤50ppm

    电导率(25℃)         10.4±0.5 ms/cm

    锂离子电池生产工艺流程


    锂离子电池的命名

    (1)  圆柱形的命名

    用三个字母和5位数字来表示,前两个字母表示锂离子电池(LI),后一个字母表示圆柱形(R),前两位数字表示以mm为单位的最大直径,后三位数字表示以0.lmm为单位的最大高度,如LIR18500即表示直径为18mm,高50mm的圆柱形锂离子电池。

    (2) 方形的命名

    用三个字母和6位数字来表示,前两个字母表示锂离子电池(LI),后一个字母表示方形(S),前两位数字表示以mm为单位的最大厚度,中间两位数字表示以mm为单位的宽度,后两位数字以mm为单位的最大高度,如LIS043048即表示厚度为4mm,宽30mm,高48mm的方形锂离子电池。


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