锂离子电池基础在线视频

各位同学大家好

我们今天来学习新的一章

锂离子电池

我们都知道

人类开始使用煤炭

石油和天然气的很长一段时间以来

都是以化石燃料为主要能源

这样的能源结构

使得环境污染严重

并且由此导致的全球变暖问题

和生态环境恶化问题

受到越来越多的关注

所以可再生能源和新能源的发展

成为在未来技术领域和未来经济世界

一个最具有决定性的影响的方向

锂离子电池作为新能源的典型代表

具有工作电压高

质量轻能量密度大等优点

在电动工具 数码相机 手机

笔记本电脑等领域得到了广泛的应用

并且显示出强大的发展趋势

从今天开始

我将和大家一起

全面的学习有关锂离子电池的知识

首先在开始学习锂离子电池之前

我们先要搞清楚一对概念

锂电池和锂离子电池

他们是一对互相区别

而又有继承和发展关系的概念

那么锂电池也可以叫锂金属电池

或者是锂一次电池

锂电池一般是使用二氧化锰

或亚硫酰氯作为正极材料

金属锂或其合金金属为负极材料

使用非水电解质溶液的电池

它不能反复使用

属于一次电池

而锂离子电池呢

是在锂一次电池的基础上发展而来

称为锂二次电池

当然最常用的名字就是锂离子电池

下面我们先简单介绍一下

锂离子电池的前身

锂一次电池的基本情况

了解一下锂离子电池的前世今生

锂元素作为在已知金属中

具有最轻原子量

和最负的标准电极电势

因而成为高能量电池

最具有吸引力的负极材料

通常负极材料为金属锂或其合金金属

正极材料目前有六种已经商品化

如碘 二氧化锰 亚硫酰氯等

这类一次电池具有能量密度大

工作范围宽

放电电压平稳

储存寿命长等优异的电化学性能

但同时也存在不可忽视的缺点。

首先

锂电极表面的表面电位分布不均

锂离子就会和负极中穿梭而来的电子结合

在负极表面上开始沉积

产生锂“枝晶”

一方面会造成可逆嵌锂容量损失

另一方面

锂枝晶可以穿透隔膜和负极连接

造成电池内部短路

瞬间产生大量的热

发生爆炸

导致严重的安全隐患

另一方面锂电池是一次电池

不能反复使用 成本高 资源浪费严重

上述的缺点严重制约了

锂一次电池的发展和应用

这也成为锂离子电池横空出世的重要因素之一

在商业化锂一次电池的同时

人们发现许多层状无机硫族化合物

可以同碱金属发生可逆反应

这样的化合物统称为嵌入化合物

在嵌入化合物基础上

锂二次电池诞生了

其中最具有代表性的是

1970年埃克森公司的威汀汉姆Whittingham

利用锂-硫化钛体系

制成首个锂离子电池

但我们可以看到这张图显示的是

循环100次形成的锂枝晶图

这说明该电池的循环性能极差

由于其枝晶所产生严重的安全隐患

该款电池未能成功实现商品化

时间来到20世纪80年代初

锂离子电池的奠基人之一

国际学术和产业界公认的

在电池领域具有原始创新成果的

电池专家阿曼德Armond教授

首次提出用嵌锂化合物代替

二次锂电池中金属锂负极的构想

正极和负极材料均采用锂离子嵌入/脱嵌材料

当对电池进行充电时

正极的含锂化合物有锂离子脱出

锂离子经过电解液运动到负极

负极的碳材料呈层状结构

它有很多微孔

到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中

嵌入的锂离子越多

充电容量越高

当对电池进行放电时

嵌在负极碳层中的锂离子脱出

又运动回正极

在锂离子电池的充放电过程中

锂离子处于从正极到负极到正极的运动状态

这就像一把摇椅

摇椅的两端为电池的两极

而锂离子就在摇椅两端来回运动

人们把这种电化学储能体系形象地称为

“摇椅式电池”

正是由于摇椅式电池体系的出现

才会出现锂电池商业化元年

1990年日本SONY公司正式推出

钴酸锂/石墨锂离子电池

该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料

替代金属锂作为负极

克服了锂二次电池循环寿命低

安全性差的缺点

其工作电压高达3.6V

比能量为120-150Wh/kg

是普通镍镉电池的2-3倍

实现了锂离子电池商品化

标志着电池工业的一次革命

那么锂离子电池都有哪些优缺点呢

首先该电池电压高

利于电子产品轻便化和小型化

第二电池的能量密度大工作范围宽

放电电压平稳

第三锂离子电池的循环寿命长环境友好

是目前综合性能最好的动力电池

我们可以看到这个表格

从表格中可以看到

锂离子电池在众多的电池中

不论是能量密度

还是循环寿命等一系列的

电化学性能优势明显

但是在拥有众多优点的情况下

锂离子电池还是有不少缺点

第一就是成本高

第二锂离子电池的安全问题备受关注

最近发生了较多锂离子电池

起火爆炸的事故

后续的课程中

我会给大家详细解释原因

那么下面

我就先简单的介绍一下

锂离子电池的工作原理及结构

首先我们刚刚提到了摇椅式电池原理

那么我们知道

锂离子电池里面要包括正极和负极

那么正极材料一般都为嵌锂化合物

如钴酸锂 镍酸锂 磷酸铁锂等

而负极材料一般选用层间化合物

如石墨等碳材料

当然锂离子电池还包含了电解液

那么锂离子电池的工作起来是怎样的呢

简单的说充电时

锂离子嵌入负极

放电时锂离子脱嵌回到正极

那么整个充放电过程

就是锂离子的嵌入和脱出过程

锂离子电池的基本原理就是这么简单

那么锂离子电池具体是

由那些部分组成的呢

我们可以看到首先是正负极

正极材料为锂离子电池提供锂离子

常见的有锰酸锂

钴酸锂和镍钴锰酸锂材料

负极材料在锂离子

电池中的主要作用是储存锂离子

在电池的充放电中

实现锂离子的嵌入和脱嵌

最常见的是石墨

其次是隔膜

隔膜的作用是阻止电子

在正负极之间自由穿梭

但是电解液中的离子可以自由通过

常见的隔膜材料为单层PP膜 PE膜

以及PP/PE/PP三层复合膜

此外还有电解液

电解液负责锂离子电池

正负极之间的离子传导

目前使用最广泛的电解质是六氟磷酸锂

那么最后就是锂离子电池的外壳

起到电池保护作用

好本节内容到此结束

本节课我主要讲授了

锂离子电池的发展历史

和锂离子电池的工作原理及结构

下节课

我会给大家详细介绍

锂离子电池正极材料的知识