锂离子电池2-锂离子电池正极解释.pdfVIP

锂离子电池 ( 二. 锂离子电池正极材料 ) 主讲 吴伯荣 电话: email: wu_borong@ 目录 1. 锂离子电池概述及电池化学原理 2 .锂离子电池正极材料 3 .锂离子电池负极材料 4 .锂离子电池电解液及隔膜 5 .锂离子电池的结构和制造工艺 6.锂离子电池性能及应用前景 2 .锂离子电池正极材料 2.1 锂离子电池正极材料的性能要求 2.2 锂离子电池正极材料种类 2.3 常规正极材料的性能及制备方法 2.4 正极材料发展前景 锂离子电池充放电过程中发生 的反应是 嵌入反应 和一般化学反应的不同之处是: 嵌入反应有一定的非计量范围,在此范围内,热力 学性质随嵌入深度x的变化而变化,因而表现为x 的函数: DHi = DHi(x) 嵌脱反应 指涉及客体物质可逆地嵌入主体基质结构而主体结构基本 不变的固态反应。 主体提供可到达的末占据位置□(如四面体、八面体的间隙 位置或层状化合物层与层之间存在的范德华空隙等)。 反应可示意性地表达为： xG+□X[Hs]→GX[Hs] 1-1 所生成的非化学计量化合物GX[Hs]称为嵌入化合物(简称 嵌合物) 层状间隙 c 作为二次电池的电极材料，这些化合物都涉及到客体 + （Guest，简称嵌质G，如Li ，H）在主体晶格(Host，简称 嵌基H， 如C、Li1-xMO2，LaNi5)中的嵌入、脱出量以及主体 的可逆嵌脱循环性能（即二次电池的容量与循环寿命）。 这些性能与主体材料的结构及嵌脱过程中的结构变化密 切相关。 最重要的结构特征： 主体材料要有一定程度的结构开放性，能允许外来的 原子或离子易于扩散进或逸出晶体 均一固相反应 ? 当离子和电子嵌入、脱嵌时，正极材料LiMO2结晶结 构不发生变化的反应，称为均一固相反应。 ? 化学反应为： MO22? Li ? e ? LiMO RT y ???0 ?by ? ln( ) Fy1? y: 氧化物中锂离子占有率（0＜y＜1） by: 表示氧??物中嵌入的锂离子间的相互作用 随着锂离子的嵌入，电池电压减少，出现S形电压曲线 ? 当离子和电子嵌入、脱嵌时，正极材料LiMO2结晶结 构形态发生变化，则电池的能斯特方程：： RT a ????0 ln LiMO2 F a? ? a Li MO2 电池电压随活性物质的消耗而急剧减少，出现Ｌ形电压曲线 电压与充电状态或与嵌锂量的关系 对于脱嵌方程xG+□X[Hs]→GX[Hs]所代表固溶反应： 结晶结构发生变化的 反应---反应伴随相变 两相反应 结晶结构不发生变化的 反应---均一固相反应 电压用Nernst方程来描述： 不同嵌锂化合物相对于锂的电势范围 嵌入化合物和嵌入反应这些特点为寻找二次 电池正负极材料开辟了广阔的途径 ? 锂离子电池负极常用相对于锂0V~1V的碳负极, 因此要获得3V以上电压,必须使用4V以上(vs. Li+/Li）正极材料 。 ?锂离子电池电池正极电压影响因素： ?正极材料晶格能 ?材料离子化能 ?锂离子的溶剂化能力 ?锂离子电池正极材料通常是半导体材料， 电导率在10-1~10-6S〃cm-1之间 理想的锂离子电池正极材料应该具备以下特征 1. 嵌入反应应具有大的吉布斯自由能，可使正极同负极之间保 持一个较大的电位差，提供高的电池电压。 2.