詳解鋰離子電池的組成部分
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2021-07-14 20:59
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鋰離子電池的組成部分
一、在負(fù)極材料部分，鋰電池的負(fù)極材料主要是：
A、石墨系碳（graphite）
a、天然石墨
b、人工石墨
c、類石墨（如 MCMB , Meso Carbon Micro Beads）
B、非石墨碳材（如焦碳系，coke）
由于石墨系的重量能量密度較高且材料結(jié)構(gòu)具較高的規(guī)則性，所以第一次放電的不可逆電容量會(huì)較低，另外石墨系負(fù)極材料具有平穩(wěn)工作電壓作用，對(duì)電子產(chǎn)品的使用和充電器的設(shè)計(jì)較具優(yōu)勢(shì)。而另一種類的焦炭系與碳黑系﹝carbon black﹞的負(fù)極材料在第一次充放電反應(yīng)的不可逆電容量很高，此材料可以在較高的C- rate下作充放電，放電曲線較斜，有利于使用電壓監(jiān)控電池容量的消耗。
石墨為層狀結(jié)構(gòu)，由碳網(wǎng)平面沿C軸堆積而成，層間距為3.36A。平面碳層由碳原子呈六角形排列并向二維方向延伸，碳層間以弱的范德華力結(jié)合，鋰嵌在碳層之間
石墨的實(shí)際比容量為320—340mAh/g。平均嵌鋰電位約為0.1V（VS Li+/Li），第一周充放電效率約為82—84%，迴圈性能好，且價(jià)格低廉（＜10元/Kg）。
★ 石墨類的製備 :
?、?nbsp; 中間相碳微球（Mesophase Carbon Micro Beads, MCMB）是用煤焦油瀝青、石油重質(zhì)油等在350—500℃溫度下加熱并經(jīng)分離、洗滌、乾燥和分級(jí)等過程制得的平均粒徑6-10微米的碳微球，然后于28000C下進(jìn)行石墨化熱處理制得的碳材料。其外形呈球形，晶體結(jié)構(gòu)同石墨基本一致。
MCMB的實(shí)際比容量約為310—330mAh/g，平均嵌鋰電位約為0.15V（VS Li+/Li），第一周充放電效率約為88%—90%，迴圈性及大電流性能好，是目前為止最為理想的負(fù)極材料，但價(jià)格昂貴（約300元/Kg）
?、?nbsp; 氣相成長碳纖（Vapor-Grown Carbon Fiber, VGCF）是以碳?xì)浠衔锝?jīng)化學(xué)蒸鍍（CVD）反應(yīng)，再用不同溫度經(jīng)熱處理而成
★ 非石墨類的製備 :
?、?nbsp; 可石墨化碳類 ---- 軟碳 : 主要為焦碳﹝Coke﹞類，可由瀝青或煤渣而來。
?、?nbsp; 不可石墨化類 ---- 硬碳（最具發(fā)展?jié)摿Γ?。硬碳不易石墨化。是一種與石墨不同的近似非晶結(jié)構(gòu)的碳材料，晶體尺寸較小，通常在幾個(gè)納米以下，呈無規(guī)則排列，有細(xì)微空隙存在，是利用高分子先驅(qū)物（polymer precursor），在不同溫度下經(jīng)熱解所形成的無次序碳材而得到。其主要特點(diǎn)：嵌鋰容量高，一般可達(dá)600mAh/g以上。問題：
I. 第一周充放電效率低，一般不超過60%。
II. 迴圈性能差。
C、錫基金屬間化合物及複合物、錫基複合氧化物
Sn與Li能可逆地形成組成為Li4.4Sn的合金，七十年代開始就引起了人們的廣泛關(guān)注。由于Sn貯鋰—脫鋰過程體積膨脹超過200%，極易引起電極粉化，導(dǎo)致迴圈性能迅速衰減。如何穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)，防止電極粉化是一直以來研究的重點(diǎn)。
近年來，人們發(fā)現(xiàn)將Sn均勻的分佈在對(duì)鋰惰性的金屬或化合物、複合物中，可較好地緩沖電極的膨脹，抑制電極粉化問題，從而獲得比較好的迴圈性能。
D、過渡金屬氮化物（Li—M—N，M=Co， Ni， Cu等）
Li2.6Co0.4N為層狀結(jié)構(gòu)，Li2N形成層面鋰嵌入在層間，Co替代部分鋰穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。其具有非常高的嵌鋰容量（約900 mAh/g），較好的迴圈性能，較合理的嵌鋰電位（平均嵌鋰電位0.3V（VS. Li+/Li））
問題：
?。? Li2.6Co0.4N活性高，易與水反映，貯存和使用過程中對(duì)環(huán)境的要求嚴(yán)格。
?。? 為富鋰態(tài)，難與正極匹配。
E、金屬氧化物—尖晶石型Li[Li1/3TI5/3]O4 Li4TI5O12+3 Li+ === Li7TI5O12
迴圈性好，充放效率高（不形成SEI膜），安全性好（不存在金屬鋰的沉積）。
問題：嵌鋰—脫鋰電位高（1.5V，VS. Li+/Li），比容量低（約150mAh/g），導(dǎo)致電池比能量下降。
應(yīng)用：電動(dòng)汽車？與現(xiàn)有鋰離子電池相比，安全性好；與鎳氫電池相比，比能量高（應(yīng)可達(dá)90—100Wh/Kg）。
二、電解液 :
第一代電解液：PC + DME + 1M LiPF6 與石墨負(fù)極匹配性差，易發(fā)生溶劑共嵌入。
第二代電解液：EC + DMC（or DEC） + 1M LiPF6 低溫性能差。
第三代電解液：EC + DMC（DEC） + EMC + 1M LiPF6 電導(dǎo)率可達(dá)10-2S.cm-1，＞50%。
目前工作大多集中在選擇添加劑方面，以提高電池首次充放電效率，提高SEI穩(wěn)定性。
液態(tài)電解質(zhì)溶液 : 鋰離子電池採用溶有鋰鹽的非質(zhì)子有機(jī)溶劑為電解液。由于有機(jī)電解液參與負(fù)極表面SEI膜的形成，因此對(duì)電池性能的影響重大。
作為鋰離子電池的電解液，需滿足以下幾個(gè)基本條件：
?、?nbsp; 化學(xué)穩(wěn)定性好，電化學(xué)視窗寬。
?、?nbsp; 電導(dǎo)率高。
?、?nbsp; 與負(fù)極材料適配性好，并能形成穩(wěn)定SEI膜。
?、?nbsp; 工作溫度范圍寬（-40—60℃）。
⑤ 價(jià)格低廉，材料易得。
?、?nbsp; 無毒，無污染。
★ 溶劑部分 :
非質(zhì)子性有機(jī)溶劑。為獲得盡可能高的電導(dǎo)，常採用二元或多元組分溶劑。
a、 碳酸丙烯酯 PC （Propylene Carbonate）。
b、碳酸乙烯酯 EC （Ethylene Carbonate ）。
c、 碳酸二甲酯 DEC（Dimethyl Carbonate）。
d、Propiolic Acid 甲酯。
e、 1,4–丁丙酯 GBL（γ- Butyrolactone）。
★ 溶質(zhì)部分 :
a、 LiPF6（主要）。
b、LiBF4。
c、 LiClO4。
d、LiAsF6。
e、 LiCF3SO3等
A、環(huán)狀碳酸化合物（cyclic carbonate）
常用 EC（Ethylene Carbonate）及PC（Propylene Carbonate） :
?、?nbsp; 光氣法 --- 利用雙醇化合物﹝glycol﹞和光氣反應(yīng)
CH2OHCH2OH + COCl2 -------> (CH2O)2CO + 2 HCl
?、?nbsp; 二氧化碳合成法 CH2OCH2 + CO2 -------> (CH2O)2CO
B、 鏈狀碳酸化合物
C、常用DMC（Dimethyl Carbonate）和DEC（Diethyl Carbonate） :
?、?nbsp; 一氧化碳合成法: 2CH3OH + CO + 1/2 O2 -------> (CH3O)2CO + H2O
?、?nbsp; 酯交換法: C2H5OH + (CH3O)2CO -------> CH3OCOOC2H5 + CH3OH
★ 聚和物電解質(zhì)開發(fā)（polymer electrolyte） :
?、?nbsp; Dry polymer Electrolyte:聚合物摻雜鋰鹽形成“聚合物—鋰離子絡(luò)合物”。
由于室溫鋰離子電導(dǎo)率低（約10-8s.cm-1），難以滿足應(yīng)用要求
?、?nbsp; PlasTI社區(qū)">TIcized Polymer Electrolyte(塑膠化聚合物電解質(zhì))：採用增塑方法，將有機(jī)電解質(zhì)溶液作為增塑劑加入到聚合物基質(zhì)材料（如PMMA聚甲基丙烯酸甲酯，PAN聚丙烯腈，PVDF聚偏氟乙烯）形成的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)中，并使之固定化。
電導(dǎo)率可達(dá)10-4——10-3s.cm-1，已接近液相溶液電導(dǎo)率，能滿足實(shí)用要求，已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用（商品化聚合物鋰離子電池）。
自Bellcore公司于1994年率先報(bào)導(dǎo)聚合物鋰離子電池以來，聚合物電解質(zhì)的開發(fā)受到越來越廣泛的關(guān)注。目前工作大多集中在進(jìn)一步提高膜的實(shí)用性能（機(jī)械性能及電導(dǎo)率）、發(fā)展新的製備方法（光、熱引發(fā)現(xiàn)場(chǎng)聚合）以及揭示導(dǎo)電機(jī)理等方面。
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