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锂离子电池原理与关键技术

作者:黄可龙
出版社:化学工业出版社出版时间:2008-02-01
开本: 16开 页数: 362 页
本类榜单:工业技术销量榜
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锂离子电池原理与关键技术 版权信息

锂离子电池原理与关键技术 本书特色

本书荟萃了国内外许多研究者多年的心血;反映出锂离子电池作为储能体系的重要组成部分,体现了锂离子电池当今发展和研究的趋势,是化学、物理、材料等学科的基础理论研究与应用技术的前沿集成反映。书中介绍了锂元素的物理化学性质;锂离子电池的基本概念与组装技术;正极材料的微观组成与电化学性能;负极材料、电解液、电极材料的研究方法以及锂离子电池的应用与展望。

锂离子电池原理与关键技术 内容简介

本书是《化学电源技术丛书》的一个分册。书中介绍了锂元素的物理化学性质;锂离子电池的基本概念与组装技术;正极材料的微观组成与电化学性能;负极材料、电解液、电极材料的研究方法以及锂离子电池的应用与展望。本书汇集了国内外研究者的*新科技成果与相关技术,体现了锂离子电池当今发展和研究的趋势,是化学、物理、材料等学科的基础理论研究与应用技术的前沿集成反映。本书适合于高等学校、科研院所、相关企业从事化学电源研发的科研人员、管理工作者和生产技术人员等,同时可作为相关专业的师生学习参考用书。

锂离子电池原理与关键技术 目录

第1章 锂元素的物理、化学性质
 参考文献
第2章 锂离子电池的基本概念与组装技术
 2.1 锂离子电池的工作原理和特点
  2.1.1 工作原理
  2.1.2 锂离子电池的主要特点
 2.2 锂离子电池的电化学性能
  2.2.1 锂离子电池的电动势
  2.2.2 电池开路电压
 2.3 锂离子电池的类型
 2.4 锂离子电池的设计
  2.4.1 电池设计的一般程序
  2.4.2 电池设计的要求
  2.4.3 电池性能设计
  2.4.4 AA型锂离子电池的结构设计
  2.4.5 电池保护电路设计
  2.4.6 锂离子电池监控器
  2.4.7 锂离子电池体系热变化与控制
 2.5 锂离子电池的基本组成及关键材料
  2.5.1 电极材料
  2.5.2 电池组装工艺与技术
 参考文献
第3章 正极材料
 3.1 正极材料的微观结构
  3.1.1 LiCoO2材料
  3.1.2 LiNiO2材料
  3.1.3 LiMn2O4材料
  3.1.4 磷酸体系化合物
 3.2 正极材料的分类及电化学性能
  3.2.1 层状锂钴氧化物
  3.2.2 层状锂镍氧化物
  3.2.3 尖晶石型氧化物
  3.2.4 复合层状氧化物
  3.2.5 其他层状氧化物
  3.2.6 层状二硫族化物正极材料
  3.2.7 三硫族化物及相关材料
  3.2.8 磷酸盐体系
  3.2.9 有机导电聚合物材料
 3.3 正极材料的制备方法
  3.3.1 溶剂热法合成
  3.3.2 高温反应法
  3.3.3 溶胶-凝胶法
  3.3.4 低温固相反应法  
  3.3.5 电化学合成法
  3.3.6 机械化学活化法
 参考文献
第4章 负极材料
 4.1 负极材料的发展
  4.1.1 金属锂及其合金
  4.1.2 碳材料
  4.1.3 氧化物负极材料
  4.1.4 其他负极材料
  4.1.5 复合负极材料
 4.2 负极材料的特点及分类
  4.2.1 负极材料的特点
  4.2.2 负极材料的分类
 4.3 晶体材料和非晶化合物
  4.3.1 石墨类碳材料
  4.3.2 无定形碳材料
  4.3.3 碳材料性能的改进方法
  4.3.4 锡基材料
  4.3.5 硅基材料
  4.3.6 合金材料
  4.3.7 复合物材料
  4.3.8 过渡金属氧化物
  4.3.9 其他
 4.4 纳米电极材料
  4.4.1 碳纳米材料
  4.4.2 纳米金属及纳米合金
  4.4.3 纳米氧化物
 4.5 其他类型材料
  4.5.1 锂金属氮化物
  4.5.2 锂钛复合氧化物Li4/3Ti5/3O4
 4.6 膜电极材料
  4.6.1 薄膜电极材料的制备方法
  4.6.2 薄膜电极材料的分类
 参考文献
第5章 电解质
第6章 电极材料研究方法
第7章 锂离子电池的应用与展望
参考文献
展开全部

锂离子电池原理与关键技术 节选

bsp; 序
    化学电源又称电化学电池,是一种直接把化学能转变成低压直流电能的装置。
太极图是各种化学电源很好的示意图(见图1),*外的圆圈是电池壳;阴阳鱼是
两个电极,白色是阳极,黑色是阴极;它们之间的“S”是电解质隔膜;阴阳鱼头
上的两个圆点是电极引线。用导线将电极引线和外电路联结起来,就有电流通过
(放电),从而获得电能。放电到一定程度后,有的电池可用充电的方法使活性物质
恢复,从而得到再生,又可反复使用,称为蓄电池(或二次电池);有的电池不能
充电复原,则称为原电池(或一次电池)。化学电源具有使用方便,性能可靠,便
于携带,容量、电流和电压可在相当大的范围内任意组合等许多优点。在通讯、计
算机、家用电器和电动工具等方面以及军用和民用等各个领域都得到了广泛的
应用。
    到了21世纪,化学电源与能源的关系越来越密切。能源与人类社会生存和发
展密切相关。持续发展是全人类的共同愿望与奋斗目标。矿物能源会很快枯竭,这
是大家的共识。我国是能源短缺的国家,石油储量不足世界的2%,仅够再用40
余年;即使是占我国目前能源构成70%的煤,也只够用100余年。我国的能源形
势十分严峻,能源安全将面临严重挑战。矿物燃料燃烧时,要放出S02、CO、
C02、NO等对环境有害物质,随着能源消耗量的增长,C02释放量在快速增加,
是地球气候变暖的重要原因,对生态环境造成严重的破坏,危及人类的生存。21
世纪,解决日趋短缺的能源问题和日益严重的环境污染,是对科学技术界的挑战,
也是对电化学的挑战,各种高能电池和燃料电池在未来的人类社会中将发挥它应有
的作用。为了以电代替石油,并降低城市污染,发展电动车是当务之急,而电动车
的关键是电池。现有的可充电池有铅酸电池、镉镍电池(Cd/Ni)、金属氢化物镍
电池(MH/Ni)和锂离子电池四种。储能电池有两方面的意义,一是更有效地利
用现有能源;另一方面是开发利用新能源,电网的负载有高峰和低谷之分,有效储
存和利用低谷电,对于能源短缺的中国,太重要了。储存低谷电有多种方案,用电
 池储能是*可取的。当前正大力发展太阳能和风能等新能源,由于太阳能和风能都
是间隙能源,有风(有太阳)才有电,对于广大农村和社区,用电池来储能,构建
分散能源,是*好的解决方案。
    正因为化学电源在国民经济中起着越来越重要的作用,我国化学电源工业发展
十分迅速。目前,国内每年生产各种型号的化学电源约120亿只,占世界电池产量
的1/3,为世界电池生产**大国。我国已经成为世界上电池的主要出口国,锌锰
电池绝大部分出口;镍氢电池一半以上出口;铅酸电池,特别是小型铅酸电池出口
量增长很大;锂离子电池的世界市场已呈日、中、韩三足鼎立之势。
    我国是电池生产大国,但不是电池研究开发强国。化学电源面临难得的大发展
机遇和严峻挑战,走创新之路是唯一选择。但是,目前国内图书市场上尚缺乏系统
论述各类化学电源技术和应用方面的书籍,这套《化学电源技术丛书》(以下简称
为《丛书》)就是在这种形势下编辑出版的。《丛书》从化学电源发展趋势和国家持
续发展的需求出发,选择了一些近年来发展迅速且备受广大科研工作者和工程技术
人员广泛关注的重要研究领域,力求突出重要的学术意义和实用价值。既介绍这些
电池的共性原理和技术,也对各类电池的原理、现状和发展趋势进行了专题论述;
既对相关材料的研究开发情况有详细叙述,也对化学电源的测试原理和方法有详细
介绍。《丛书》共有9个分册,分别为《化学电源设计》、《化学电源概论》、《锂离
子电池原理与关键技术》、《锂离子电池电解质》、《电化学电容器》、《锌锰电池》、
《镍氢电池》、《省铅长寿命电池》、《化学电源测试原理与技术》。相信《丛书》的出
版将对科研单位研究人员、高校相关专业的师生、电池应用人员、企业技术人员有
所裨益。更希望《丛书》的出版,能够推动和促进我国化学电源的研究、开发以及
化学电源工业的快速发展。
    中国科学院物理研究所研究员
    陈立泉
    中国科学院院士
    2006年6月
      前言
    自1958年美国加州大学的一名研究生提出了锂、钠等活泼金属做电池负极的
设想后,人们开始了对锂电池的研究。当锂电极被碳材料代替时,即开始了锂离子
电池的工业化革命。锂离子电池的研究始于1990年日本Nagoura等人研制成以石
油焦为负极,以钴酸锂为正极的锂离子电池;同年日本Sony和加拿大Moli两大电
池公司宣称将推出以碳为负极的锂离子电池;1991年,日本索尼能源技术公司与
电池部联合开发了以聚糖醇热解碳(PFA)为负极的锂离子电池;1993年,美国
Bellcore公司首先报道了聚合物锂离子电池。
    与其他充电电池相比,锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无
记忆效应、对环境污染小、快速充电、自放电率低等优点。作为一类重要的化学电
池,锂离子电池由手机、笔记本电脑、数码相机及便捷式小型电器所用电池和潜
艇、航天、航空领域所用电池,逐步走向电动汽车动力领域。在全球能源与环境问
题越来越严峻的情况下,交通工具纷纷改用储能电池为主要动力源,锂离子电池被
认为是高容量、大功率电池的理想之选。
    近年来,锂离子电池中正负极活性材料、功能电解液的研究和开发应用,在国
际上相当活跃,并已取得很大进展。低成本、高性能、大功率、长寿命、高安全、环
境友好是锂离子电池的发展方向。锂离子电池是一类不断更新的电池体系,涉及物理
学和化学的许多新的研究成果,将会对锂离子电池产业产生重大影响。本书的编写过
程正值锂离子电池的发展处于一个崭新局面时期,新的电极材料与功能电解液体系促
使研究方向与领域不断拓展与深入,其研究数据与新成果层出不穷。本书荟萃了国内
外许多研究者多年的心血;反映出锂离子电池作为储能体系的重要组成部分,不断地
从一个阶段发展到新的高度;也是锂离子电池*新科研成果的集中表现。
    在本书的编写过程中,笔者的研究生们做了大量的文献收集、图表绘制、数据
整理等方面的工作,他们是:唐联兴、王海波、黄承焕、唐爱东、李世采、张戈、
龚本利、杨赛、李永坤、方东、赵薇、史晓虎等。在此,对他们的工作表示感谢!
    此外,我们特别要感谢化学工业出版社的相关编辑在本书的编写过程中所给予
的帮助和支持!
    由于锂离子电池涉及化学、物理、材料等学科的概念和理论,是基础研究与应
用技术的前沿反映与集成。限于作者的知识、能力,疏漏与不足之处在所难免,敬
请同行与读者不吝赐教。
    编  者
    2008年1月

 第4章  负极材料
4.1  负极材料的发展
    锂离子电池的负极材料主要是作为储锂的主体,在充放电过程中它实现锂离子
的嵌入和脱出。从锂离子电池的发展来看,负极材料的研究对锂离子电池的出现起
着决定性的作用,正是由于碳材料的出现解决了金属锂电极的安全问题,从而自接
导致了锂离子电池的应用。已经产业化的锂离子电池的负极材料主要是各种碳材
料,包括石墨化碳材料和无定形碳材料,如天然石墨、改性石墨、石墨化中间相碳
微珠、软炭(如焦炭)和一些硬炭等。其他非碳负极材料有氮化物、硅基材料、锡
基材料、钛基材料、合金材料等。纳米尺度的材料由于其特有的性能.也在负极材
料的研究中广为关注;而负极材料的薄膜化是高性能负极和近年来微电子工业发展
对化学电源特别是锂二次电池的要求。
    锂离子二次电池负极材料的发展经过了一个较长过程,*早研究的负极材料足
金属锂,由于电池的安全问题和循环性能不佳,金属锂在锂二次电池中并未得到应
用。锂合金的出现在一定程度上解决了金属锂负极可能存在的安全隐患,但是锂合
金在反复的循环过程中经历了较大的体积变化,电极材料会逐渐粉化,电池容量迅
速衰减,这使得锂合金并未成功用作锂二次电池的负极材料。碳材料在锂二次电池
中的成功应用促进了锂离子电池的产生,此后,许多种碳材料被加以研究。但是碳
材料存在着比容量低,首次充放电效率低,有机溶剂共嵌入等不足,所以人们在研
究碳材料的同时也开始了对其他高比容量的非碳负极材料的开发,比如锡基负极材
料、硅基负极材料、氮化物、钛基负极材料以及新型合金材料等。
4.1.1  金属锂及其合金
    人们*早研究的锂二次电池的负极材料是金属锂,这是因为锂具有*负的电极
电位(一3.045V)和*高的质量比容量(3860mA·h/g)。但是.以锂为负极时,
充电过程中金属锂在电极表面不均匀沉积,导致锂在一些部位沉积过快,产生树枝
一样的结晶(枝晶)。当枝晶发展到一定程度时,一方面会发生折断,产生“死
锂”,造成不可逆的锂;另一方面更为严重的是,枝晶刺破隔膜,引起电池内部短
路和电池爆炸。除此之外,锂有极大的反应活性,可能与电解液反应,也可能消耗
活性锂和带来安全问题。正是由于锂枝晶和锂与电解液反应可能造成的许多问题,
从而使以锂为负极的二次锂电池未能实现商业化。目前主要在三方面展开工作:①寻
找替代金属锂的负极材料;②采用聚合物或熔盐电解质,避免金属锂和有机溶剂的反
应;③寻找合适的电解液配方,使金属锂在沉积溶解过程中保持光滑均一的表面。
     历史上对锂合金的系统研究始于高温熔融盐体系,研究体系包括
有机电解液体系中锂的电化学合金化反应的系
统研究是从Dey的工作开始的,后来的研究表明室温条件下锂可以和很多金属在
电化学过程中发生合金化反应。.Huggins对各种二元和三元锂合金作为负极在有机
溶剂体系中的行为做了系统的研究,特别是锂锡体系、锂锑体系和锂铅体系的热力
学和动力学行为进行了报道。
    相对于金属锂而言,锂合金负极避免了枝晶的生长,从而提高了安全性。但由
于合金材料在反复的循环过程中经历较大的体积变化,电极材料会逐渐粉化,电池
容量迅速衰减。
    为了解决合金材料的粉化问题,不同的研究者提出了不同的解决方法。Hug—
gins提出将活性的合金均匀分散在非活性(所谓的非活性是指在一定的电位
下不参与反应)中形成混合导体全固态复合体系。有人提出将锂合
金分散在导电聚合物中形成复合材料;将小颗粒合金嵌入到稳定的网络支撑体中。
这些措施从一定程度上抑制了合金材料的粉化,但仍然没有达到实用化的要求。
    随着负极概念的突破,负极材料不再需要含锂,这使得在合金材料的制备上有
了更多的选择。
    不含锂的金属间化合物被用于锂离子电池负极进行研究。存在两类金属间化合
物,一类是含两种可嵌锂合金之间的金属间化合物,如SnSb、SnAg、AgSi、
GaSb、A1Sb、InSb。这类金属间化合物,由于不同的金属在不同的电位与锂发生
合金化反应,一种金属与锂发生合金化反应时,另一种金属呈惰性,相当于活性合
金分散在非活性合金的网络中。相对于单一金属,材料的循环性能有很大提高。另
外一类金属间化合物是可嵌锂活性金属和非活性金属的合金,如Sb2 Ti、Sb2 V、
Sn2Co、Sn2Mn、A12Cu、Ge2Fe、CuSn,Cu2sb、Cr2Sb。这类合金只有一种金属
是活性的,另外一种充当了导电惰性网络的作用,相对于前一种两种活性金属的金
属问化合物循环性有所改进,但这是以牺牲比容量为代价的。
    另外引入多相合金也提高了材料的循环性,如Sn/SnSb、Sn/SnAg、SnFe/
SnFeC、SnMnC。
    金属间化合物没有彻底解决材料粉化问题,人们开始关注小尺寸材料。Besen—
hard发现亚微米或纳米材料在循环过程中的破碎变小,材料的循环性随着颗粒的
减小而变好。这是由于纳米材料在充放电过程中绝对体积变化小,材料的粉化可以
得到很好的抑制。但由于纳米材料有较大的表面积,表面能较大,因此在电化学循
环过程中存在严重的电化学团聚问题。有人对纳米锡锑合金在锂离子电池中的容量
损失和容量衰减做了研究,认为纳米合金的首次容量损失和循环过程中的容量衰减
主要由5个方面原因引起:表面氧化物、电解液的分解、锂被宿主材料捕获、杂质
相的存在、活性颗粒在电化学循环过程中的团聚。
    合金方面的另一个值得关注的研究成果是Fuji Film公司利用锡基复合氧化物
  (TCO)作为锂离子电池负极的情况,玻璃态的锡基复合氧化物负极具有很好的循
环性。
4.1.2碳材料
    锂合金的研究并没有直接导致锂离子电池的产生,而非锂合金在锂离子电池出
现前后都一直被研究着,,真正促使锂离子电池出现的是碳材料在锂离子电池中的
应用。
    碳材料用作锂离子电池的研究是从20世纪80年代开始的,但对碳材料的插锂
行为在这之前就开始了研究。早在20世纪50年代中期,Herold合成了I,i一石墨嵌
入化合物(GIC,graphite intercalated compound)。在1976年,Besenhard发现了
锂可从非水溶液里电化学嵌入到石墨中。但是,在充放电过程中由于石墨结构的膨
胀和宏观结构的解体,这一问题没能得到解决。在20世纪80年代初有人报道了在
熔融锂中锂同浸入碳相结合的研究,发现了I.iC6可以作为电池的负极,这揭开了
碳作为锂离子电池负极研究序幕。1985年,日本Sony公司提出用无序的非石墨化
碳来作为电池的负极,从而发明了锂离子电池。之后,Sony公司成功推出了以
iC002为正极,聚糠醇树脂(PFA,polyfarfury alcoh01)热解炭(硬碳)为负极
的锂离子电池,从而使锂离子电池得已商业化。表4 l是不同碳材料的发展过程。
    表4-1  不同碳材料的历史背景
┏━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━┓
┃  年份    ┃    历史  背  景                                          ┃    发现(明)者    ┃
┣━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━┫
┃    1976  ┃有机给体溶剂中碱金属离子的电化学插入行为的发现            ┃    Besenhard     ┃
┃    1981  ┃以LiCs为负极,NbSe为正极,为溶剂的熔盐电池的出现          ┃                  ┃
┃    1983  ┃以锂化石墨为负极,LiCl04/PC为电解液的聚合物电池          ┃    Yazami        ┃
┃    1985  ┃无序的非石墨化碳作为负极材料的引入                        ┃    S0ny公司      ┃
┃    1990  ┃商业化电池一Ij/Mn()2电对中以硬碳为负极                   ┃    Sony公司      ┃
┃    1990  ┃以焦炭为负极,LiMn02为正极,电解液为I.iAsF6/(EC+PC)     ┃    Dahll         ┃
┃    1993  ┃石墨化MCMB和非石墨化VGCF作为负极材料的引入                ┃  Matsusllita公司 ┃
┗━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━┛
    石墨类碳材料的嵌锂行为是目前研究得比较透彻并且已得到大家的公认。石墨
中的碳原子为spz杂化并形成片层结构,层与层之间通过范德华力结合,层内原子
间是共价键结合。D.Guerard等通过化学方法将锂插入石墨片层结构的层问,形成
了一系列的插层化合物,如I.iC24、LiQ8、I.iCl 2、I.iC6等。J.R_Dahn同样证明
了通过电化学的方法形成的锂石墨嵌入化合物,同时在锂嵌入过程中形成了一系列
的插层化合物。由于石墨片层间以较弱的范德华力结合,在电化学嵌入反应过程
中,部分溶剂化的锂离子嵌入时会同时带人溶剂分子,造成溶剂共嵌入,会使石墨
片层结构逐渐被剥离。这在以PC为溶剂的电解液体系中特别明显。这也是



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