文档介绍：第1章引言
研究背景
随着社会和经济的发展,人类在各个领域取得的成果和突破越来越多,但是人类在21 世纪必须面对两个严峻的问题。一是能源问题,进入21 世纪后,人类的日常生产生活对能源的需求量越来越大,这与世界上有限的化石能源储量和日益饱和的供应量之间有着巨大的矛盾;另一个是环境问题,过去几十年来人类对周边环境的不合理开发及过度使用化石能源,造成了全球性的环境污染和气候变化问题。而如今人类正面临这些问题带来的危害,全球气候逐渐变暖、区域性气候变化反常以及城市空气质量急剧下降等。人类也已经深刻意识到了这些问题的重要,因此开发清洁可再生的新能源已经成为今后社会经济发展的重要目标和必然需求。
电能便是一种清洁可再生能源,它在人类的日常生活中扮演着至关重要的角色,而电能的储能装置直接关系到其能否得到有效地利用。从1799 年伏打研究出第一套电源装置,到1859 年普兰特发明铅酸电池,再到后来的镍镉、镍氢电池,化学电源伴随着人类文明在不断地进步。锂离子电池具有很高的能量密度、很好的循环性能,同时它对环境的污染较小。自从锂离子电池问世以来,就得到广大科研工作者的青睐。经过多年的发展,锂离子电池的生产加工技术已经日趋成熟,并将在更多的领域中发挥重要作用。
锂离子电池简介
锂离子电池的发展历程
锂离子电池是最近几十年发展起来的新型可充电二次电池。基于上世纪70 年代初期“嵌入反应”机理的发现与提出[1][2],第一块锂离子电池由Exxon[3]在1972 年成功制备。该电池用TiS2作为正极材料,金属锂作为负极,LiClO4/二恶茂烷作为电解液,但在充放电循环过程中,容易造成锂的不均匀沉积从而形成锂枝晶,最终会刺穿隔膜导致电池内部短路,引发安全问题。正是由于其中存在的安全隐患,使得锂离子电池的研究在一段时间内处于停滞状态。
锂离子电池的突破性进展源自于上世纪70 年代末Armand提出的“摇椅电池”构想,即正负极都采用可脱/嵌锂的材料,这样在充放电的过程中,锂离子在正负极之间像摇椅一样进行“嵌入”与“脱嵌”。这一想法改变了必须用金属锂做负极的观念,从而有效避免了充放电过程中金属锂的沉积,提高了安全性。随后经过多年的努力,人们发现了多种能可逆脱/嵌锂的正负极材料。1991年日本索尼
[4]公司率先实现了锂离子电池的商品化。锂离子电池凭借高的能量密度、良好的循环性能,迅速在移动通信、笔记本电脑的等便携式电子产品中得到应用并占据大部分的市场份额。不仅如此,随着石油资源的日益枯竭,汽车的动力源将逐步摆脱石油燃料而使用新的动力源。大功率的锂离子动力电池正是被人们所看好的替代动力源,并且已经初步应用于电动汽车上。
锂离子电池的工作原理
锂离子电池是一种重要的储能装置,它能将电能转化为化学能储存起来。锂离子电池核心结构主要由四部分组成,正极、负极、电解质和隔膜,正极和负极均由能可逆脱/嵌锂的材料制备而成,。下图中描述的是锂离子电池进行充电的一个过程。充电时,Li+从正极材料的储锂空穴中脱出,进入电解质中并完成溶剂化的过程。溶剂化的Li+穿过隔膜,在电解质中迁移到达负极,然后去溶剂化结合一个电子嵌入负极材料()的储锂空位中。在正极材料脱去一个Li+的同时会释放一个e-到外电路中,并伴随着正极材料金属元素化合价的升高。放电时与充电过程相反,由于Li+在负极材料中的化学势要高于正极,Li+从负极材料的储锂空穴中脱出,穿过电解质和隔膜,嵌入正极材料中。充电和放电反映了Li+从正极材料中脱出和嵌入的过程。
锂离子电池的工作原理[5]
在锂离子电池前几周的充放电过程中,会在电极材料的表面形成SEI(solid electrolyte interphase)膜。SEI膜的形成源自电解质的氧化还原反应,正极为有机电解质的氧化(> V)[5],负极为电解质的还原(< V),它的产生与很多因素有关,例如电解质自身稳定的电化学窗口范围、杂质的影响等。
锂离子电池负极材料
决定锂离子电池电化学性能及工作电压的核心部分是电池的正负极材料。锂离子电池的正极材料种类较多,现阶段的研究热点主要集中在层状结构的富锂过渡金属氧化物LiMO2、尖晶石型化合物LiM2O4、橄榄石型化合物LiMPO4、硅酸盐化合物Li2MSiO4和硼酸盐化合物LiMBO3。商品化的负极材料以碳基材料为主,现阶段研究研究较多的材料主要有:碳基材料、合金类材料、金属氧化物材料以及金属硫化物/氮化物[6]。
碳材料
碳材料是最早应用于负极的材料,也是目前应用最广泛的的负极材料。碳材料有着较高的比容量,循环寿命长,研究最为广泛的碳材料可以分为三类:石墨类碳材料、非石