锂离子电池素材教学文案.ppt

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1、锂离子电池素材1.介绍锂离子电池结构组成工作原理锂离子电池是一种以Li+在正负极入嵌和脱嵌来回循环的二次储能电池。正极一般采用插锂化合物（右图以LiCoO2为例），负极目前广泛使用石墨层间锂化合物LixC6，电解质主要是LiPF6、LiClO4等有机溶剂，溶剂分为碳酸乙烯酯EC、碳酸丙烯酯PC、碳酸二甲酯DMC和氯碳酸酯ClMC。充电时，Li+从正极脱出，经过电解质嵌入到负极，此过程中伴随电子从正极沿外电路到达负极，保持正负极电荷平衡；放电时，Li+从负极脱嵌，经电解质回归正极，同时电子从外电路经负载返回，故可以

2、看做是一个可逆过程。所以一般要求Li+在正负极来回入嵌、脱嵌过程中正负极材料晶体结构不会发生明显变化，而只引起材料层间距的变化。正极材料是锂离子电池最为关键的原材料，不同的正极材料性能各有利弊，根据下游产品的需求，选择的正极材料品种不尽相同。消费类电子产品领域锂离子电池正极材料的性能需求侧重锂离子电池能量密度和安全性：1.钴酸锂为目前消费类电子产品锂离子电池主要的正极材料；2.动力电池正极材料的性能需求为高电压、高能量、高功率和宽温度范围，磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料是目前动力锂离子电池正极材料的主要原材料，其中三

3、元材料是未来动力电池正极材料的趋势；3.在动力电池方面，钛酸锂是新的发展方向。2.正极材料2012-2014年，锂电池正极材料增长主要由手机、平板、移动电源等带动，但历年增速呈下滑态势，由此说明数码市场增速开始趋于饱和。2015年，受新能源汽车动力电池爆发带动，正极材料市场增长强劲，2015年中国正极材料产量达11.3万吨，同比增长49%。2016年，中国正极材料产量增速将有所放缓，全年产量将达15万吨。LiFePO4材料LiFePO4材料具有规则的橄榄石晶体结构，属于正交晶系，每个晶胞里有四个LiFePO4单元

4、，其晶胞参数为a=0.6008nm，b=1.0324nm，c=0.4694nm。晶体结构中，氧原子以稍微扭曲的六方精密堆积方式排列，Fe和Li各自处于氧原子八面体中心位置，形成FeO6八面体和LiO6八面体。交替排列的FeO6八面体、LiO6八面体和PO4四面体形成层状脚手架结构。在bc平面上，相邻的FeO6八面体通过公用顶点的一个氧原子相连，构成FeO6层，层之间有相邻的LiO6八面体在b方向上通过共用棱的两个氧原子相连成链。每个PO4四面体与FeO6八面体共用棱上的两个氧原子，同时又与两个LiO6八面体共用棱

5、上的氧原子。正极反应：LiFePO4⇔Li1-xFePO4+xLi++xe-；负极反应：xLi++xe-+6C⇔LixC6；总反应式：LiFePO4+6xC⇔Li1-xFePO4+LixC6磷酸铁锂电池工作原理LiFePO4的制备方法1.自然界中磷铁锂矿2.人工合成2.1固相法2.1.1高温固相反应法2.1.2碳热还原法2.1.3微波合成法2.2液相法2.2.1溶胶-凝胶法2.2.2水热合成法2.2.3液相共沉淀法高温固相反应法高温固相反应法是目前制备磷酸铁锂最成熟最常用的方法，也是最容易实现产业化的方法。优点：

6、工艺简单，易实现产业化；缺点：原料不易混合均匀。高温固相反应法典型工艺以碳酸锂，草酸亚铁和磷酸二氢铵为原料，按化学计量比混合研磨均匀后在惰性气体（氩气、氮气）的氛围中高温烧结。碳热还原法碳热还原法广泛应用于冶金工业。该方法的优势在于在合成过程中产生强烈的还原气氛，可以用三价铁的化合物作为铁源，进一步降低了成本。碳热还原典型工艺以磷酸二氢锂、三氧化二铁和高分子聚合物原料按化学计量比混合研磨均匀后在惰性气体的环境中高温烧结。在合成过程中利用高分子聚合物的分解产物，实现三价铁的还原和磷酸铁锂的碳包覆。碳热还原法的优点1

7、.高分子聚合物的分解产物具有（原始态C和H）具有高于固态碳的还原能力，可以降低合成温度，缩短反应时间。2.高分子聚合物分解的碳在反应体系中成原子级分散状态，从而可以实现对合成产物的均匀包覆。3.原位包覆的碳膜降低了磷酸铁锂的长大速度。常用原材料锂源：碳酸锂、氢氧化锂、磷酸二氢锂铁源：草酸亚铁、磷酸亚铁、磷酸铁、氧化铁磷酸根：磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵碳源：葡萄糖、蔗糖、碳石墨、酚醛树脂、碳黑等3.负极材料负极材料技术与市场均较为成熟，主要以碳素材料为主，石墨类负极材料在负极材料中处于绝对主流的优势。常规石墨负极

8、材料的倍率性能已经难以满足锂离子电池下游产品的需求。在消费类电子产品方面，需要提高电池的能量密度，以硅-碳(Si-C)复合材料为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。石墨类碳材料石墨晶体中，层面内的碳原子以共价键叠加在金属键上相互牢固结合，而层间之间仅靠较弱的范德华力连接，一些原子、分子或离子可以嵌入石墨的层间而并不破坏其二维网状结构，仅使层间距增大，生成石墨间化合物（