锂电池原理与应用

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1、目录一.锂电池定义1二.锂电池工作原理2三.锂离子电池和聚合物锂电池区别3四.锂电池的应用41.磷酸铁锂是最适合动力电池的正极材料42.磷酸铁锂电池存在的问题63聚合物锂电池：未来的发展方向之一9

2、11一.锂电池定义锂电池按照电解质形态不同可分为液态锂离子电池和聚合物锂电池。聚合物锂电池是指正极、负极和电解质中至少有一种是聚合物材质的锂电池。二.锂电池工作原理锂电池的充放电过程是锂离子在电池正负极中的脱出和嵌入实现的，以磷酸铁液态锂离子电池为例的反应方程式如下：如图：锂电池工作原理图

3、111.正极构造LiMn2O4(锰酸锂)+导电剂

4、(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）正极。2.负极构造石墨+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铜箔）负极。3.充电过程电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳迚”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极不早就跑过来的电子结合在一起。正极上发生的反应为LiMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(电子)负极上发生的反应为6C+XLi+Xe==LixC64.放电过程电池放电,此时负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上,正锂离子Li+从负极“跳迚”

5、电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”

6、11到达正极，不早就跑过来的电子结合在一起。正极上发生的反应为Li1-xMn2O4+xli++xe(电子)==LiMn2O4负极上发生的反应为LixC6==6C+xLi+xe三.锂离子电池和聚合物锂电池区别如图：聚合物锂电池用电解质如图：电解质不同，是锂离子电池与聚合物锂电池的主要区别

7、11四.锂电池的应用1.磷酸铁锂是最适合动力电池的正极材料液态锂离子电池包括正极、负极、隔膜及电解液等四大材料。正极材料是锂离子电池中最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，约占锂

8、离子电池电芯材料成本的30%左右。目前常用的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种。自1996年日本NTT首次揭露橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料之后，1997年美国得克萨斯州立大学的John.B.Goodenough教授，也接着报道了LiFePO4的可逆性地嵌入脱出锂的特性，从此磷酸铁锂逐渐成为一种具有低成本、多元素、同时又对环境友好的正极材料之一。与传统的正极材料，尖晶石结构的LiMn2O4和层状结构的LiCoO2相比，橄榄石结构的LiMPO4结构极其稳定，与氧的键结很强，不会因为短路而产生爆炸，容量达到170mAh/

9、g，原材料来源更广泛、价格更低廉。由于LiFePO4与FePO4结构相似，锂离子脱出/嵌入后，LiFePO4晶体结构几乎不发生重排，因此LiFePO4的循环性能更好，锂离子可以自由进出，可反复充放电达1000

10、11次以上，也有报道称通过材料改性，可使磷酸铁锂寿命达到1万次以上。如图：不同正极材料锂电池性能比较磷酸铁锂是目前最理想的正极材料。相比较而言，钴酸锂最大的问题是安全性差（150度高温时易爆炸）、成本高（钴价约50万元/吨，含钴60%的钴酸锂超过40万元/吨）、循环寿命短；锰酸锂安全性比钴酸锂好很多，但高温环境的循环寿命更差（

11、500次）。磷酸铁锂因为高放电功率、成本低（约18~30万元/吨）、可快速充电且循环寿命長（1000次以上），在高温高热环境下的稳定性高（300度高温以上才有安全隐患），具有很好的安全性能，因而是目前最理想的动力汽车用锂电正极材料。

12、112.磷酸铁锂电池存在的问题目前来看，磷酸铁锂电池在国内迅速发展，存在着几个问题，包括专利隐患、低导电率低电容、低温性能差以及最关键的成品率低等问题。（1）专利隐患依赖于国内厂商的自主技术探索来解决磷酸铁锂（LiFePO4）橄榄石结构诞生于德州大学，德州大学于1997年对磷酸铁锂的晶体结构与化学分子式

13、申请了专利，后将专利授予加拿大自来水公司Hydro-Quebec及其下属公司Phostech使用。德州大学和H-Q声称，凡是使用LiFePO4正极材料的电池都侵犯了他们的晶体结构和化学分子式专利。目前LFP最上游的化合物制造专利被三家专业材料公司所掌握，分别是美国A123的Li1-xMFePO4、加拿大Phostech的LiMPO4以及台湾立凯电能(Aleees)的LiFePO4･MO。（2）导电率低、实际电容量低，低温下放电性能差，已有部分解决方案磷酸铁锂缺点在于电导率很低、实际电容量较低。目前国内外厂商已通过纳米技术(A123)

14、、碳元素涂布技术(Phostech)、金属氧化物共晶技术(Aleees)和金属掺杂氧空位技术(天津斯特兰)来改性磷酸铁锂，添加碳、银、铜、锰、镍、钛等元素以增加电容量与导电性。如天津斯特兰的改性磷酸铁锂，实验室电容量达到每克160毫安