锂离子电池的种类和材料的选择[策划]
锂离子电池的种类和材料的选择
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锂离子电池的主要材料和 锂离子电池的主要材料和电极的制造 主要材料
一, 锂离子电池的原理 二, 锂离子电池的种类 1,液态锂离子电池 液态锂离子电池 2,聚合物电池 聚合物电池
锂离子电池用的主要材料和电极制造 三,锂离子电池用的主要材料和电极制造 锂离子电池用的主要材料和 1,隔膜 隔膜; 隔膜 2,负极活性材料 负极活性材料; 负极活性材料 3,正极活性材料 正极活性材料; 正极活性材料 4,电极的制造工艺; 电极的制造工艺 电极的制造工艺 5,电极的孔隙率及其控制 电极的孔隙率及其控制 电极的孔隙率
前言: 前言 1, 理论与实际结合 理论与实际结合; 2,多发现生产中的问题 每一个工序都有要钻研的问题 多发现生产中的问题;每一个工序都有要钻研的问题 多发现生产中的问题 每一个工序都有要钻研的问题; 3,注意结构和性能的关系 性能是结构所决定的. 注意结构和性能的关系,性能是结构所决定的 注意结构和性能的关系 性能是结构所决定的
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(一) 一
锂离子电池的原理: 锂离子电池的原理:
锂离子电池在采用石墨为负极, LiCoO2 为正极时, 为正极时, 充电和放电的原理是 和放电的原理是: 锂离子电池在采用石墨为负极, 充电和放电的原理是:
充电
正极: 正极:LiCoO2
放电
Li 1-x CoO2 + xLi+ + x e-
充电
负极: 6C +xLi+xe负极:
放电 充电
LixC6
总的反应: 总的反应:6C+LiCoO2
放电
Li1-x CoO2 +LixC6
在充电时,锂离子从正极的 LiCoO2 中解嵌,经过电解质嵌入石墨晶体中, 与此同时正极释放一个电子,Co3+被氧化成为 Co+4,而负极得到一个电子;而 在放电时,锂离子从石墨层脱嵌,回到 LiCoO2 的晶格里,正极同时得到一个电 子,而 Co+4 被还原成 Co+3. LiCoO2 的理论容量为 274mAh/g, 实际的可逆容量为 120-150 mAh/g, 为可 嵌入/脱出的晶格百分数的 55%. 在过充的条件下, 锂含量减少, 钴氧化水平提高,降低材料的稳定性, 使晶格 塌陷,循环衰减增大. 在碳素材料中锂嵌入和脱嵌反应是: xLi + 6C ? LixC6
其中: 0
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_1714115082572_0上又可以分为两种: 1) 用拉伸法 (干法) 制造的 PP/PE/PP 三层复合膜,这种隔膜是以聚丙烯 (PP) 和聚乙烯(PE)为原材料,制造的聚有闭合功能隔膜;其中 PP 的机械强 度高,有支撑的作用; 多孔膜的制造工艺可以分为以下步骤: PP 材料?熔化?挤压成膜?拉伸造孔 PE 材料?熔化?挤压成膜?拉伸造孔 PP 材料?熔化?挤压成膜?拉伸造孔
复合?冷拉伸?热处理
PP/PE/PP 隔膜 (1) 将树脂和助剂相混合,加热熔化,采用挤吹法或流延法挤出一定厚度的 薄膜; (2) 将冷拉伸过的薄膜在接近树酯熔点的温度下进行热处理,使增长结晶 性和增加取向性; (3) 在制造 PP/PE/PP 三层膜时,要用加热辊压或用粘合剂把三层前驱膜复 合在一起; (4) 首先将复合的多层薄膜在室温下进行冷拉伸至一定的伸长比例;; (5) 将热处理过的薄膜在低于软化点的温度下用单向或双向拉伸法热拉伸 成一定伸长比例,通过这一拉伸的过程造孔;采用冷拉伸和热拉伸相结 合的方法,可以提高薄膜的空隙率 (6) 将拉伸过的薄膜热处理,消除应力,使多孔膜尺寸稳定化; (7) 收卷分切成品. Celgard 多孔隔膜的性能 多孔隔膜的性能
Celgard 2400 型 号 PP 结 构 厚度/μ 25 厚度 μm 孔隙率/% 38 孔隙率 空气渗透性/( 35 空气渗透性 (s/in2) ) Celgard 2300
PP/PE/PP 25 38 25
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抗刺穿强度/g 抗刺穿强度
380
480
用湿法制造的单层隔膜, 所用的原材料是超高分子量聚乙烯 UHMWPE) 2) 超高分子量聚乙烯 ( ) 其制造工艺是: UHMWPE 增 塑 剂 有机溶剂
溶解?涂布成膜?蒸发溶剂?萃取增塑剂造孔
多孔膜
(2)聚合物电池用的隔膜
凝胶型聚合物电池是目前聚合物电池的主要类型.制备凝胶型聚合物电 池的关键工艺是首先制备聚合物薄膜,进而加入电解质溶液,形成凝胶状 电解质. 美国 Bellcore 公司提出的制造聚合物薄膜的工艺如下图所示:
PVDF-HFP 增塑剂 DBP 丙 SiO2 Bellcore 的制造聚合物电解质的工艺特点是: (1) PVDF-HFP 是由无定形相和结晶相组成,无定形区保持大量电解质溶液, 使薄膜具有高导电率,结晶区可以使薄膜具有良好的机械性能. (2) 在共聚物 PVDF-HFP 中,HFP 的比例越高,则无定形相的比例越高,但 机械性能越差, 因此, PVDF-HFP 中 HFP 的比例要适当, 在 一般在 8-12% (其余为 PVDF) ; (3) 增塑剂苯二甲酸二丁酯(DBP)是造孔剂,在涂布隔膜的过程中,将共聚 物 PVDF-HFP 涂布成膜之后,溶剂丙酮挥发后,DBP 留在膜里,在用溶 剂萃取时,DBP 被萃取掉,在薄膜上留下孔隙. (4) 在配方里加入部分 SiO2 或其他无机添加剂,可以提高薄膜的机械强度, 并且提高吸附电解质溶液的能力,从而提高传导离子的能力. (5) 所形成的共聚物 PVDF-HFP 多孔膜.不但和电解质溶液形成凝胶,而且 该 PVDF-HFP 多孔膜与正极和负极可以热合在一起成为一体,是电池芯 变薄,也有利于降低内阻. 酮 —?混合—?涂布—?干燥—?聚合物薄膜
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Bellcore 制造聚合物电池的工艺受到人们的重视,但也存在许多缺点: (1) 所制做的 PVDF-HFP 多孔膜机械性能较差,只能用于制造叠片式电池, 不能用于制造卷绕式电池,生产效率低; (2) 所制造的隔膜偏厚,一般在 50μm 以上,印象电池的容量; (3) 需要用有机
溶剂萃取造孔剂,增加成本并造成环境污染. 鉴于 Bellcore 工艺的优点和缺点都很显著, 所以后来在其工艺原理的基础上进 行改进, 例如 Motorola, Antek 等公司将 PVDF-HFP 涂布在 PP/PE/PP 多孔薄膜上, 并保持 PP/PE/PP 膜的 使 PP/PE/PP 多孔膜在与电解质溶液接触时能够形成凝胶, 良好的机械性能. (3) 无纺布隔膜 无纺布隔膜: 无纺布用于铅酸电池作隔膜已有相当长的历史. 近来把无纺布用于锂离子 电池上作隔膜受到人们的重视.无纺布作隔膜的优点是: (1) 大的孔隙率,有利于提高导电率; (2) 价格便宜; (3) 涂布氧化铝等无机物可以提高电池的安全性. 已经有介绍有的把无纺布用于锂离子电池,聚合物电池和动力电池.
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2,负极活性材料 负极活性材料
一负极活性材料的种类: 一负极活性材料的种类: 1,碳素材料:目前应用的重点 2,金属锂:容量大,但安全性差; 3,硅及其合金;元素硅粉: 当 Li 离子嵌入硅晶格中时,和 Si 原子之间形成 Li 22 Si 5 的结构,比容 量可达 4200mAh/g. 即在硅的晶体中可以容纳 Li 离子的数量比在石墨 中容纳 Li 离子的容量大了近 12 倍.近来,已经有报道,采用采用石墨包覆 的硅作为负极活性材料可以将电池容量增加一倍.也有报道,采用硅粉作 负极.用镍钴酸锂作正极活性材料,可以将 18650 电池的体容量有 6.8Wh 提高到 12Wh,相当于 3500mAh.因此硅作为锂离子电池的负极活性材料 是很有前途的,受到人们的重视,Canon, Fuji Photo, 3M 等著名公司都从 事这一方面的研究,并发表了专利,
碳素材料: 二, 碳素材料 在碳素材料中锂嵌入和脱嵌反应是: xLi + 6C ? LixC6 其中: 0
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