电动车辆动力电池系统及应用技术 第2版 教学课件 作者 王震坡 基本课件 第七章.ppt

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1、第7章锂离子动力电池7.1概述7.2锂离子动力电池的工作原理7.3正极材料7.4负极材料7.5锂离子电池的失效机理7.6锂离子动力电池的性能7.7锂离子动力电池的应用7.1概述据统计，到2008年，国际锂离子电池产量已经达到16亿只，从图7-1中可以看到锂离子电池逐年增长的幅度。7.2锂离子动力电池的工作原理图7-2是钴酸锂锂离子电池工作原理图，其他类型锂离子电池与此类似。7.3正极材料-层状混合物层状正极材料中研究比较成熟的是钴酸锂（LiCoO2）和镍酸锂（LiNiO2）。层状LiNiO2的结构示意图如图7-

2、3所示。7.3正极材料-尖晶石型结构图7-4是尖晶石型LiMn2O4的结构示意图7.3正极材料-尖晶石型结构目前，锰酸锂锂离子电池已经大量应用在示范运营的电动汽车上。2008年北京奥运期间运行的纯电动客车、2010年上海世博会的部分电动客车就采用了单体90A·h的锰酸锂锂离子电池。日产公司推出的Leaf纯电动汽车、三菱公司推出的iMiEV纯电动汽车（见图7-5）也均采用了该类型锂离子动力电池。7.3正极材料-橄榄石型结构LiFePO4在自然界以磷铁锂矿的形式存在，属于橄榄石型结构（其结构见图7-6）。7.3正极材料

3、-锂离子电池正极材料的纳米化正极材料的纳米化可改善锂离子电池的电化学性能，尤其是快速充放电性能，是锂离子电池正极材料的重要发展方向之一。人们用各种方法，制备了多种形态的纳米正极材料，如多孔结构的LiCoO2纳米花球、LiNiO2纳米球、LiMn2O4纳米颗粒组成的薄膜和LiFePO4纳米多面体等。7.3正极材料-锂离子电池正极材料的纳米化正极材料的纳米化可改善锂离子电池的电化学性能，尤其是快速充放电性能，是锂离子电池正极材料的重要发展方向之一。人们用各种方法，制备了多种形态的纳米正极材料，如多孔结构的LiCo

4、O2纳米花球、LiNiO2纳米球、LiMn2O4纳米颗粒组成的薄膜和LiFePO4纳米多面体等。7.4负极材料负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一。比容量高、容量衰减率小、安全性能好是对负极材料的基本要求。目前，应用的负极材料如图7-7所示。7.4负极材料-碳材料碳材料是目前商品化的锂离子电池应用最为广泛的负极材料。碳负极材料包括石墨、无定型炭，其中石墨又分为天然石墨、人造石墨和石墨化炭；无定型碳分为硬炭和软炭。石墨是锂离子电池碳材料中应用最早、研究最多的一种，其具有完整的层状晶体结构，石墨晶体的片层结构中碳

5、原子許P2杂化方式结合成六角网状平面，理想石墨的层间距为03354nm，层与层之间以范德华力结合。石墨的层状结构，有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂石墨层间化合物，其理论最大放电容量为372mA·h/g，充放电效率通常在90%以上。锂在石墨中的脱/嵌反应主要发生在0～025V之间(相对于Li/Li+)，具有良好的充放电电压平台，与提供锂源的正极材料匹配性较好，所组成的电池平均输出电压高，是一种性能较好的锂离子电池负极材料。7.4负极材料-氧化物负极材料氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系，包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其

6、他氧化物。前两者虽具有较高理论比容量，但因从氧化物中置换金属单质消耗了大量锂而导致巨大容量损失，抵消了高容量的优点；LixMoO2、LixWO2等氧化物负极材料具有较好的循环性能，但由于其比容量低，目前为止并没有获得广泛深入的研究。Li4Ti5O12具有尖晶石结构，充放电曲线平坦，放电容量为150mA·h/g，具有非常好的耐过充、过放特征，充放电过程中晶体结构几乎无变化(零应变材料)，循环寿命长，充放电效率近100%。目前在储能型锂离子电池中有所应用。7.4负极材料-金属及合金类负极材料金属锂是最先采用的负极材料，理论比容量为3

7、860mA·h/g，原子量为694，电化学还原电位-3045V。20世纪70年代中期，金属锂在商业化电池中得到应用。但因充电时，负极表面会形成枝晶，导致电池短路，于是人们开始寻找一种能替代金属锂的负极材料。合金负极材料是研究得较多男滦透杭牧咸逑担泄仫辖鸬难芯抗ぷ髯钤缡加?958年。7.5锂离子电池的失效机理造成锂离子电池容量衰退的原因主要有：1）正极材料的溶解。2）正极材料的相变化。3）电解液的分解。4）过充电造成的容量损失。5）自放电。6）界面膜（SEI）的形成。7）集流体。7.6锂离子动力电池的性能-充放电特性锂离子电

8、池基本充放电电压曲线如图7-8所示。对于不同的锂离子电池，区别主要有两点：①第一阶段恒流值，根据电池正极材料和制造工艺不同，最佳值存在一定的差别。7.6锂离子动力电池的性能-充放电特性图7-