复旦纳米材料和功能器件课件03锂离子电池

BatteriesTheDryCellBatteryLeclanchécellAnode:Zn(s)→Zn2+(aq)+2e-Cathode:2NH4+(aq)+2MnO2(s)+2e-→Mn2O3(s)+2NH3(aq)+H2O(l)Zn(s)+2NH4(aq)+2MnO2(s)Zn2+(aq)+2NH3(aq)+H2O(l)+Mn2O3(s)TheLeadStorageBatteryAnode:Pb(s)+SO42-(aq)→PbSO4(s)+2e-Cathode:PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-→PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+PbO2(s)+4H+(aq)+2SO42-(aq)→2PbSO4(s)+2H2O(l)LithiumIonBatteryAnode:Li(s)→Li++e-Cathode:Li++CoO2+e-→LiCoO2(s)Li(s)+CoO2→LiCoO2(s)FuelCellsAnode:2H2(g)+4OH-(aq)→4H2O(l)+4e-Cathode:O2(g)+2H2O(l)+4e-→4OH-(aq)2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)e–e–e–e–e–e–＋－Li++6C+e–→LiC6LiMO2→Li1–xMO2+xLi++xe–(M=Co,Ni,Mn;0x1)充電LiC6→Li++6C+e–Li1–xMO2+xLi++xe–→LiMO2放電MCMBLiCoO2锂离子电池的工作原理①　电池电压3.6V/3.7V,由于电压高,电池使用节数减少。②　高比能量化，使得移动型电子器件小型化和轻量化；③　没有使用金属锂、安全性高；④　没有Ni-Cd,Ni-MH电池一样的记忆效应，循环性能优越；⑤　方形电池的外包装采用铝合金或铝式复合膜，电池轻；⑥没有环境污染，称为绿色电池。Li-ion电池的特长TechniqueProgressinLi-ionBattery正极材料:1.LiCoO2材料依然是主流,每月600吨2.LiCoyNi1-yO2圆筒型电池使用可能3.LiMn2O4已用于动力电池,但高温性能有待于继续提高4.LiCoMnNiO2三元体系小型电池使用可能,其综合性能有待于继续验证负极材料:1.人造石墨材料是主流，每月470吨，天然石墨是今后发展的必然趣势2.Si,Sn及其复合材料虽然具有石墨材料数倍的容量，但实用化困难电解液：使用功能性电解液是制备高性能电池的关键隔膜：20m隔膜是主流，薄型化和2成分化是今后的趋势ComparisonofCathodeMaterialsforLithium-IonBatteriesMaterialPra.Cap.(mAh/g)Densidy(g/cc)Vol.E.D.(mAh/cc)ShapeofD.CSafetyCostCommentLiCoO21605.05808FlatFairHighLiNiO22204.801056SlopePoorFairImpossibleLiMn2O41104.20462FlatGoodLowHEV,EVLiCo0.2Ni0.8O21804.85873SlopeFair-FairLIP?LiMn0.5Ni0.5O21604.70752SlopeGoodLowー?LiFePO41603.70592FlatGood+LowLowconductivitySEMimagesforLiCoO2usedforcommercializedLIB[Li]8a[Mn2]16d[NyO4-y]32e(N=F,S.3V,4V)[Li1-xMx]8a[Mn2]16d[O4]32e(Ga2+,Zn2+)(3V,4V)[Li]8a[MxMn2-x]16d[O4]32e(Ni2+,Cu2+,Co3+,Cr3+,Fe3+,etc)(4V,5V)[Li]8a[MxMn2-x]16d[O4]32e(Li+,Mg2+,Ga2+,Zn2+,Al3+,etc)(3V,4V)CrystalStructureofSpinel[Li]8a[Mn2]16d[O4]32eNi:3a(0,0,0)Li:3b(0,0,0.5)O:6c(0,0,0.25);(0,0,-0.25)LiNiO2,LiFeO2,LiCoO21502002503003500246HeatFlow(W/g)Temperature(℃)ThermalStabilityofVariousPositiveElectrodebyDSCMeasurementswith1.2M　LiPF6EC/EMC(1/2)LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2exhibitedgoodthermalstability,whichwasthesameasLiNi1/2Mn1/2O2.Li0.40CoO2Li0.15Mn2O4Li0.35Co1/3Ni1/3Mn1/3O2EachElectrodewaschargedby4.3VversusLi/Li+.TheCathodeMaterialsforLithium-IonBatteries9092949698100102104YearLayeredLiMxMe1-xO2LiMn2O4,+LiCoxNi1-xO2,+LiCoO2LiCoO2,H-LiCoO2ACBSafetyCapacityStoragePerformanceCycleCostRateCapacityABCNegativeElectrodeMaterialsforLi-ionBatteries负极要求：(1)可逆容量大(2)不可逆容量小　　　　　高结晶性石墨材料(3)堆积密度大开发进过：第一世代：炭中间相小球体石墨(310,20mAh/g)；第二世代：低表面积人造石墨(330,30mAh/g);第三世代：改性天然石墨(350,40mAh/g)CarbonMaterialsUsedforLithium-ionBatteryMCMBNaturalGraphiteMCF199219962000200420080100200300400500600Energy-density(wh/l)次世代材料IncreaseinEnergy-densitybyUsingNewMaterials年能量増加率：約10%能量密度极限值：現行C/LiCoO2系18650型500Wh/l現行SummaryofthecapacityofalloyanodematerialsNegativeElectrodeMaterialsforLi-ionBatteries01000200030004000100150200250300350400C(12)Si(28)In(115)Sn(119)Capacity(mAh/g)SwellingRatio(V%)合金具有石墨负极数倍的容量，但在充放电过程由于体积膨胀导致合金微分化SiorSnfilmelectrodeforLIBHighTechniquesforHigh-PerformanceLithium-ionBattery1.High-performancecathodematerial2.Highenergydensityanodematerial3.Functionaladditiveelectrolyte4.Largeporesizeseparator5.+ElectrolyticCellsElectrolysisistheprocessinwhichelectricalenergyisusedtocauseanonspontaneouschemicalreactiontooccur.高性能高容量、高功率、长寿命资源丰富，制造简单廉价无环境污染・不含有毒元素（铅、镉、汞等）・再生循环方便高信赖性安全、安心期待中的最理想的电池第３代携帯電話FOMA（2001.5～）FOMA携帯電話機の例P2101　　　　　N2002主要スペック　　重量：100g程度　　電池：Li-ion　Battery通話時間：90分前後待受時間：55時間前後充電時間：約90分程度送信電力：約0.3W主要機能．サービスカラー表示（256色以上、有機EL等）テレビ電話、Iモーション、画像メール等12和音以上の着信音データ通信（Iモード、バケット通信、384K）大容量メモリ搭載（500以上）050100150「従来ViVi」「デラックス」「タフネス」「エクセレント」走行距離kmハイブリッド高効率モータユニット　・電池重量是Ni-Cd,Ni-MHの半分の重量　　・メモリー現象なし　　・リフレシュ不要　　・ラミネートタイプ　　・マンガン系正極大容量锂离子电池（Li電池1.6kg）（水素電池3.8kg）（Li電池1.0kg）（Li電池1.5kg）130km62km110km50km31km25kmパワーセーブモード標準109,800円（充電器1万円）79,800円（充電器1万円）（軽量車体19.4kg）使用锂离子电池的电助自行车松下自行车工業（株）松下电助自行车用电池使用锂离子电池的电动摩托车YAMAHA工業（株）ホンダインサイト(INSIGHT)(価格210万円)燃費　35km/リットル　(排気量1000cc)円筒型ニッケル・水素電池6.5Ah×7.2V×20=0.94kWh,出力；10kW日産ティーノ(Tino-HYBRID)(価格315万円)燃費　23km/リットル　(排気量1800cc)マンガン系リチウムイオン電池3.6Ah×(200～120V)×2=1.15kWh出力；25kWトヨタプリウス(PRIUS)(価格215万円)燃費　31km/リットル　(排気量1500cc)角型ニッケル・水素電池6.5Ah×7.2V×38=1.78kWh,(44Wh/kg)出力；34kW(880W/kg)电池的低成本化是普及化的关键已商品化的HEV未来家庭用供电系统ElectrochemistryLaboratoryforFunctionalMaterials,FudanUniversity,October18,2007,3M种类2006年度2012年度予測　12/06年度比锂离子电池　51億円　1,111億円2178.4%镍氢电池　　818億円　1,488億円　　181.9％电容器　　　19億円　　　64億円　　　336.8％其他　　　　1,744億円　　2,136億円　　122.5％合計　　　2.632億円　　4,799億円　　　182.3％其他电池包括铅酸蓄蓄电池，镍镉电池，钠硫电池、液流氧化还原电池等。35种产品（大型）HEV电动汽车，家庭用发电系统，太阳能发电系统，太型直流电源，（携带电话）卫星中继站等.（中型）电动工具、电动自行车，电动摩托，无线家庭电器等2007年富士经济对大型二次电池及材料的市场调查结果电动汽车用电池市场规模预测