锂电池原理与工艺复习整理

1、。锂电池原理与工艺复习第一章 化学电源的原理及类别一、电池术语与及使用基本常识1、电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。2、理论容量 是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念， 即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为 Ah/kg（ mAh/g) 或 Ah/L(mAh/cm3) 。3、实际容量 是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为 Ah，其值小于理论容量。4、额定容量 也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。5、电池内阻包括欧姆内阻 和极化内阻 ，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。6、终止电压 (Cut-off discharge voltage)指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。7、开路电压 (Open circuit voltage OCV)电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。8、放电深度 (Depth of discharge DOD)在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定

2、容量的百分比，称为放电深度。9、过放电 (Over discharge)电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高， 正、负极活性物质的可逆性遭到损坏， 使电池的容量产生明显减少。10、过充电 (Over charge)电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。11、能量密度 (Energy density)电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。12、自我放电 (Self discharge)电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。13、放电平台 锂离子电池完全充电后，放电至3.6V 时的容量记为C1，放电至3.0V 时的容量记为 C0， C1/C0 称为该电池之放电平台（行业标准1C 放电平台为70%以上）14、充电循环寿命(Cycle life)电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命。15、化成 ：电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放

3、电性能及自放电、 储存等综合性能的过程称为化成，电池只有经过化成后才能体现真实性能。16、分容： 电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容17、快速充电： 充电电流大于0.2C，小于 0.8C 则是快速充电。18、慢速充电： 充电电流在0.1C-0.2C之间时，我们称为慢速充电。19、涓流充电： 充电电流小于0.1C 时，我们称为涓流充电。20、超高速充电：充电电流大于0.8C 时，我们称之为超高速充电。21、恒流充电方式：恒流充电法是保持充电电流强度不变的充电。方法，恒流充电器通常使用慢速充电电流。22、快速自动充电方式：通常所使用的是余弦法充电，也就是说并非用恒定的大电流充电，而是像余弦波那样电流强度随之变化，这样能缓解热量的积聚，从而将温度控制在一定范围。1。内。23、脉冲式充电法： 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。24、充电时间 ( 小时 ) =充电电池容量 (mAh)/ 充电电流 (mA)*1.5的系数25、电池的比能量： 单位体积或单位质量电池所放出的能

4、量称比能量， 前者称体积比能量或能量密度（ Wh/L），后者称质量比能量 (Wh/kg) 。26、理论比容量的计算： CnF26.8 n 10003.6MM第二章 锂离子电池的原理、特点及技术一、锂离子电池工作原理正极： LiCoO 2Li 1xCoO 2xLixe负极： 6C xLixeLi xC 6总反应： LiCoO 26CLi 1x CoO 2Li x C6二、 锂离子电池的主要优点如下：重量能量密度大 （ Wh/kg）、循环寿命长、 单体额定电压高、自放电率小、安全性高、可快速充放电、无环境污染，绿色电池。三、 锂离子电池的主要缺点如下：内阻高、电压变化大、成本高、需保护电路、难替代、操作环境要求高、资源有限，回收利用难度大。第三章 正极材料的类别、性能及储锂原理一、层状正极材料（LiCoO2、三元）1、 LiCoO 2（ 1）理论比容量 275mAh/g；（2）工作区间： 锂脱出量 0.5 ，工作平台位于 3.6V ，比容量 137 mAh/g，循环性能好，当锂脱出量 0.5 时，结构不稳定，需要充电保护。（3）存在的主要问题：实际比容量与理论值275 mAh/g 有较大差

5、距。资源匮乏，成本高。有一定毒害。（ 4）主要解决办法：利用 Ni 、Al 等元素掺杂替代，稳定结构，提高电位和比容量，降低成本。（ 5） LiCoO2 的改性。2。原因：层状 LiCoO2 在充放电循环过程中受到不同程度的破坏，导致严重的应变和缺陷密度增加，发生容量衰减 。从层状结构转变为立方尖晶石结构。方法：掺杂： B、Al 、Mg、Ni 、Cr 、Mn、Cu、Sn、Zn 等和包覆： MgO、 LiMn2O4 、 SnO、Al2O3、TiO2、 ZrO2 等。2、 LiNiO 2（1）具有与 LiCoO2 相同的结构，理论比容量为 274mAh/g，实际可达到 180mAh/g 以上，远高于 LiCoO2，不存在过充电现象，并具有价廉、无毒，等优点。（2）存在的主要问题：制备困难。结构不稳定，易生成Li1-yNi1+yO2 。使得部分Ni位于 Li 层中，降低了Li 离子的扩散效率和循环性能。3、 LiN 1 y iCo yO2（ 1）LiN 1 yiCo y O2 与 LiNiO2 和 LiCoO2 一样，具有 -NaFeO2 型层状结构 （R-3m 空间群），理论容量为 275

6、 mAh/g，作为锂离子电池正极材料兼有 LiNiO2 和 LiCoO2 的优点，比容量高，循环性能好，价格便宜，污染小，制备简单等。【层状镍锰二元材料：LiNi 0.5 Mn 0 .5O 2 中 Mn 以 Mn 4 形式存在，充放电过程中，锰不参加电化学反应，起到稳定材料晶体结构的作用， 具有优良的电化学性能 但是该材料合成困难，在合成中由于存在杂相而影响材料性能 】4、三元材料（LiNi x Coy Mn zO2 ）（1）特征：优点：比容量高、循环寿命长、安全性能好、价格低廉。缺点：平台相对较低、首次充放电效率低。（2）三元协同效应： Co，减少阳离子混合占位，稳定层状结构； Ni ，可提高材料的容量； Mn，降低材料成本，提高安全性和稳定性。（ 3 ） 目 前 商 业 化 三 元 系 列 材 料 ： LiNi 1 / 3 Co1 / 3 Mn1 / 3O2 、 LiNi 0 .4Co 0.2 Mn 0.4 O 2 、LiNi 0.5 Co0 .2 Mn0 .3O2（ 4） LiNi 1/ 3Co1 / 3 Mn1 / 3 O2 三元材料的性质 -NaFeO2 型结构，六方晶系，

7、O2 立方密堆积构成结构骨架，Li与过渡金属离子占据八面体间隙位；可发生Ni2+/Ni3+ 、 Ni3+/Ni4+ 和 Co3+/Co4+的氧化还原反应，而Mn处于稳定的 +4 价，并不参与反应， Ni2+ 与 Co3+被完全氧化至 +4 价时，其理论比容量约为277mAh/g ； 锂 脱 出 量 过 高 时 ， 晶 格 氧 逃 逸 三 元 材 料 分 解 ， 生 成 新 相 MO2； LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有和 LiCoO2 十分相似的 -NaFeO2 层状结构，其中过渡金属元素Co、 Ni 、 Mn 分别以 +3、 +2、 + 4 价态存在。LiNi 1/ 3Co1/ 3 Mn1/ 3 O2在不同温度及倍率下结构变化较小，所以材料具有很好的稳定性。LiNi 1/ 3Co1/ 3 Mn1/ 3 O2由于采用镍锰取代价格昂贵的钴，使材料具有相对低廉的价格。（5） LiNi 0.4 Co0.2 Mn 0.4O2 三元材料的性质。3。LiNi 0.4 Co0.2 Mn0 .4O 2 与 LiNi 1/ 3Co1 / 3 Mn1 / 3O 2 属于一个系列的三元正极材料，镍

8、钴锰价态分别是 +2，+3，+4。由于降低了钴含量，增加了锰含量，使产品更具有成本优势。当然钴含量低的情况下，材料的稳定性会有所下降，材料的倍率性能和循环性能有待进一步提高。（ 6） LiNi 0.5 Co0.2 Mn 0.3O 2 三元材料的性质LiNi 0.5 Co0 .2 Mn0 .3O2 与 LiNi 1 / 3Co1/ 3 Mn1/ 3O2 相比具有更高的镍含量，可以使材料的克容量发挥的更高，提高电池的体积能量密度，是目前用量很大的三元材料。（ 7）三元材料电化学性能的主要缺点：循环性能差：高截止电压下材料的结构稳定性降低，电解液发生氧化还原反应；倍率性能较差：电子导电率较低；解决方法：表面包覆（保护电极和减少副反应）元素掺杂（增强材料的结构稳定性提高电子和Li的扩散速率）（ 8）离子掺杂改性：锂离子电池的输出功率与材料中的电子电导及锂离子的离子电导都有直接关系，所以以不同手段提高电子电导及离子电导是提高材料的关键。（ 9）表面包覆改性：用金属氧化物（ Al2O3，ZnO，ZrO2 等）修饰三元材料表面，使材料与电解液机械分开， 减少材料与电解液副反应， 抑制金属离子的溶解， 优化材料的循环性能。同时表面包覆还可以减少材料在反复充放电过程中材料结构的坍塌，对材料的循环性能是有益的。4。二、尖晶石正极材料（LiMnO 2 、LiNi 0.5

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