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研究生课程论文论文题目基于正极材料磷酸铁锂的锂离子电池的研究科目新能源装备现状及发展趋势教师何玉林姓名聂松学号20120702008t专业车辆工程类别学术上课时间2012年11月至2012年12月重庆大学研究生院基于正极材料磷酸铁锂的锂离子电池的研究摘要石油短缺和温室效应给能源基础设施带来巨大压力,锂离子电池以其开路电压高、质量能量高等优越性能而备受__本文分析锂离子电池的正负极材料特征,给出了常用材料,并对比磷酸铁锂电池与其他二次电池,展示了磷酸铁锂电池的优越性能,并给出了其未来研究方向关键字锂离子电池;磷酸铁锂;性能;0前言近年来,随着石油危机和全球变暖的加剧,给原本就已经过度扩展的社会能源基础设施带来越来越大的压力同时,随着21世纪微电子技术的发展,小型化设备日益增多,社会交通、通讯和信息产业的迅猛增长,迫切要求建立一个能够高效利用各种替代能源的电能储存体系基于磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池作为一个有效的可持续能量存储体系,具有体积小、质量轻、电容量大、电压高的优点磷酸铁锂在使用中无任何有毒有害物质,不会对环境构成任何污染,已经广泛用于__、笔记本电脑以及__通讯工具等电子产品中,未来有望在电动汽车、____、军事__通信工具和设备等领域实现大规模应用因此被世界公认为绿色环保电池,同时也被国家列入了“十五”期间“863”国家高科技发展计划,成为国家重点支持和鼓励发展的项目
[1]本文通过查阅正极为磷酸铁锂材料的锂离子电池相关的文献,分析了锂离子电池常用正负极材料、电解液材料,介绍了磷酸铁锂电池的性能特性,最后展望了磷酸铁锂电池研究前景1磷酸铁锂电池简介锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解质、隔膜等组成锂离子电池的负极材料通常由能够可逆脱嵌锂离子的石墨(即中间相碳微珠)组成,电解质由锂盐常见的锂盐有LiCIO
4、LiPF
6、LiBF
4、LiAsF6等溶解在一定的溶剂主要是碳酸乙烯酯EC、二乙基碳酸酯DEC、二甲基碳酸酯DMC、碳酸丙烯酯PC等按一定比例形成的混合物中组成,正极材料通常由锂金属氧化物(LiMO2)构成
[2]而磷酸铁锂电池是由正极材料为磷酸铁锂(LiFePO4)锂离子电池电池的性能,如电池电压、功率密度或能量密度等都与构成正极和负极材料的固有性质紧密相关电池的循环寿命取决于电极和电解液之间的接触界面,而安全性则取决于电极材料和界面的稳定性
[3]
1.1锂离子电池的正极材料锂离子电池正极材料通常为过渡金属的氧化物,金属离子在锂脱出时被氧化为更高的价态
[4]过渡金属氧化时可以在化合物中保持电中性大的组成变化通常会引起相变,所以必须使用在比较宽的组成范围内保持稳定的晶体结构,尤其是能在锂脱出时能保持结构的稳定性目前锂离子电池的正极材料主要分为三种具有层状结构的LiMO2M=Co、Ni、Ni.Co、Ni.Co.Mn,尖晶石结构的LiMn2O4和橄榄石结构的LiMPO4M=Fe、Mn、Co等
[2]LiCoO2的锂离子电池由于__昂贵而限制其发展磷酸铁锂(LiFePO4)在自然界中以磷铁锂矿的形式存在,原材料来源广泛,热稳定性好、循环性能优良,同时属于正交晶系,为橄榄石结构如图1橄榄石型LiFePO4的晶体结构图1橄榄石型LiFePO4的晶体结构LiFePO4晶体正极材料的理论电容量为170__hg-1,相对金属锂的电极电位约为
3.5V,理论能量密度为550Wh/kgLiFePO4的充放电过程是一个LiFePO结构和异位FePO4结构并存的过程充电时,锂离子在橄榄石结构的LiFePO中发生脱嵌,同时橄榄石结构的LiFePO4变为异位结构的FePO4,放电时,锂离子在异位结构的FePO4表面发生嵌入异位结构的FePO4转变为橄榄石结构的LiFePO4
[5]LiFePO4的充放电过程可用下式表示充电LiFePO4-xLi+-xe-→1-xLiFePO4+xFePO4放电FePO4+xLi++xe-→xLiFePO4+1-xFePO4磷酸铁锂的合成方法主要有高温固相法、水热法、凝胶溶胶法、碳热还原法、共沉淀法、微波法等
1.2锂离子电池负极材料锂离子电池负极材料一般应具有以下特点
[6]1锂离子在负极材料中的插入氧化还原电位尽可能低,接近金属锂的电位,从而使电池的输出电压高2在负极材料中大量的锂能够发生可逆插入和脱嵌以得到高容量密度3在整个插入、脱嵌过程中,锂离子的插入和脱嵌应可逆且主体结构没有或很少发生变化,以确保良好的循环性能4氧化还原电位随锂离子插入量的变化应该尽可能小,这样电池的电压不会发生显著变化,可保持较平稳的充放电5插入化合物有较好的电子电导率和离子电导率,这样可以减少极化,并能进行大电流充放电同时,锂离子在电极材料中有较大的扩散系数,以便于快速充放电目前有关锂离子电池负极材料的研究主要集中在石墨化材料、无定形碳材料、硅基材料、锡基材料、新型合金和其他材料,其中石墨化碳材料是当今商品化锂二次电池中的主流
1.3电解质材料电解液在锂离子电池的正负极之间起着输送锂离子的作用,对锂离子电池而言,选择合适的电解液是获得高能量密度、长循环寿命和高安全性的关键问题之一锂离子电池电解液必须满足以下几点基本要求
[7]1锂离子电导率高在一般温度范围内,电导率要达到3×10-3~2×10-2S/cm2电化学窗口大,即电化学性能在较宽的电压范围内不发生分解反应3电解质的可用液态范围宽,即在-40~70oC范围内均为液态4热性能稳定,在较宽的温度范围内不发生分解反应5化学稳定性高,即在与电池体系的电池材料如正极、负极、隔膜、胶黏剂等基本上不发生反应最大程度上促进电极可逆反应的进行6没有毒性,使用安全7成本低,容易制备目前锂离子电池所使用的电解质基本上是含有锂盐的非水电解液,常用的锂盐LiClO
4、LiPF
6、LiBF4等非水溶剂一般使用PC碳酸丙烯酯、EC碳酸乙烯酯、BC碳酸丁烯酯、DMC碳酸二甲酯、DEC碳酸二乙酯、EMC碳酸甲乙酯、DME二甲基乙烷等以聚合物电解质为基础的聚合物锂离子电池是锂离子电池领域的一个非常有发展前景的发展方向
[8]2磷酸铁锂电池的性能特点电池按工作性质可以分为一次电池和二次电池一次电池是指不可以循环使用的电池,如碱锰电池、锌锰电池等二次电池指可以多次充放电、循环使用的电池,如商业化应用的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池
2.1磷酸铁锂电池的性能优点锂离子电池与其他蓄电池相比,从下表1中可以看出磷酸铁锂电池具有以下优良特性
[3]表1磷酸铁锂电池与传统电池性能比较
(1)工作电压、质量能量、体积能量高,同时循环使用寿命长;
(2)安全性能好;
(3)清洁无污染除此之外,磷酸铁锂电池还有一些优点
[9]
(1)无记忆效应没有Ni-Cd电池一样的记忆效应锂离子电池可以在未完全放电的条件下充电而不会降低其容量;
(2)倍率性能好电池放电倍率可达10C以上,特殊制作可达30C,非常有利于电动车和动力型助推设备技术的发展;
(3)工作环境温度范围宽一般可在.-30oC到+60oC之间工作,具有良好的低温工作性能
(4)自放电率低锂离子电池的充电速度较快,仅需要1~2小时h的时间就可充电,达到最佳状态;同时,锂离子电池的漏电量极少,即使随意放置1~2周后再拿出来用时,一样能发挥电力、照常工作
2.2磷酸铁锂电池的缺点锂离子电池普遍存在__昂贵的缺点,同时锂离子电池存在过充问题,锂离子电池已充足电还要继续充电(过充电),则会损坏电池,严重降低电池容量,因此锂离子电池必须配备特殊的保护电路,对其进行过充保护3LiFePO4正极材料的研究进展与展望LiCoO2作为第一代锂离子电池的主导正极材料材料,目前仍占据锂电池市场的很大一部分份额但是LiCoO2__昂贵,安全性能不好而且又污染环境,因此__新的安全、廉价且无污染的电极材料是目前锂离子电池研究的重点橄榄石型LiFePO4由于其毒性小,潜在成本低,循环周期长以及安全性高的内在优势,被认为是混合型电动车及电动车发动能源用新一代大规模锂离子电池最有前景的候选阴极材料
3.1电极/电解液界面LiFePO4电极材料中的电化学反应取决于电子和锂离子的传输,这是绝大部分LiFePO4电化学性质相关研究所得出的比较一致的结论
[8]目前为止大部分的研究都集中在增加体相等研究,有关表面性质的研究到目前为止还比较少,但是锂离子的传输是一个表面控制过程,因此对LiFePO4材料的表面进行控制和优化也具有非常重要的意义如何在锂离子电池充放电过程中防止表面对锂离子和/或电子的传输造成阻碍是一个亟待解决的问题
3.2体积能量密度LiFePO4的理论密度远低于LiCoO
2、LiNiO
2、LiMn2O4,从而使得添加的碳对LiFePO4/C混合物体积能量密度的影响将比对其质量能量密度的影响更大
[10]因此,未来的研究中,平衡体积和重量能量密度,最优化碳在LiFePO4/C中的比重是非常重要的
3.3低温性能LiFePO4的低温电化学性能将成为它广泛应用于混合型电车级电动车的一个关键挑战然而,到目前为止,有关应对这一挑战的有效措施还非常少和其它的阴极材料不同,低温下电解液粘度的增加可能大大限制了LiFePO4的性能,为了提高电解液的Li+导电率,必须寻找新的锂盐
[11]4结论本文主要研究了锂离子电池的结构及其性能,对于目前应用锂离子电池正负极材料及其电解液进行了深入的分析,通过对比磷酸铁锂电池与传统电池,得出了锂离子电池工作电压高、质量能量和体积能量高,无记忆效应、放电倍率大等优点,同时参考一些文献提出了未来磷酸铁锂电池的发展方向____
[1]王洪林雄武李丽.基于磷酸铁锂电池的110kV变电站直流系统中的电池容量选择[J].电源学报
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[2]潘芳芳.锂离子电池正极材料LiFePO4的合成、改性以及界面研究[D].安徽:中国科学技术大学
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[3]杨家源赖秋.磷酸铁锂电池直流电源系统应用研究[J].云南电力技术
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[9]吴凯张耀曾毓群等.锂离子电池安全性能研究[J].化学进展
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[10]黄学杰李泓王庆等.纳米储锂材料和锂离子电池[J].物理
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[11]姜久春文锋温家鹏等.纯电动汽车用锂离子电池的建模和模型参数识别[J].电力科学与技术学报
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