锂离子电池正极材料晶体结构及16页PPT

压实密度
压实密度与材料的理论密度和颗粒形貌、粒度分布等有关。 理论密度 = 单胞内原子总质量/单胞体积
三元材料可以看作为Ni、Co和Mn取代LiCoO2中的Co，与 LiCoO2同为六方结构，都属R-3m空间群。 Ni、Co和Mn的原子 量、离子半径相近，因此理论密度相近。
在实际应用中，LiCoO2的压实密度（RX767）可达4.2 g/cm3，
目前研究较多的锂离子电池正极材料有LiCoO2、镍钴二元， 镍钴锰、锰类化合物、LiFePO4等。
3. 锂离子电池正极材料
3.1 LiCoO2
LiCoO2最早是由Goodenough等人在1980年提出可以用 于锂离子电池的正极材料，之后得到了广泛的研究。
LiCoO2具有合成方法简单，工作电压高，充放电电压 平稳，循环性能好等优点，是最早用于商品化的锂离子电 池的正极材料，也是目前应用最广泛的正极材料。
LixMn2O4在过放电（1 x 2）的情况下， 在3 V左右出现电压平台，锂离子嵌入到空的16c 八面体位置，产生结构扭曲，原来的立方体 LiMn2O4转变为四面体Li2Mn2O4，锰从3.5价还 原为3.0价。该转变伴随着严重的Janh-Teller畸变， c/a变化达到16％，晶胞体积增加6.5％，导致表 面的尖晶石粒子发生破裂。因此，LiMn2O4只能 作为理想4 V锂离子电池正极材料，其理论容量 为148 mAh/g，实际容量为120 mAh/g。
3.1.1 LiCoO2的结构
3
1
4 2
Co3+ (3b)
O2 (6c)
Li+ (3a)
LiCoO2具有-NaFeO2结构，属六方晶系， R-3m空间群，其中6c位上的O为立方密堆积，3a 位的Li和3b位的Co分别交替占据其八面体孔隙， 在[111] 晶面方向上呈层状排列，理论容量为274 mAh/g。

安全性能与环境影响
安全性能
锂离子电池的安全性能是其应用领域的重要考量因素。由于锂离子电池内部存在 可燃物质，不当使用或过充过放可能导致电池起火或爆炸。因此，提高锂离子电 池的安全性能是技术发展的重要方向。
环境影响
锂离子电池在使用和处理过程中可能对环境产生一定影响。主要包括废旧电池处 理问题、电解液泄漏和重金属元素释放等。因此，发展环保型的锂离子电池技术 也是当前的重要研究方向。
能量密度与功率密度
能量密度
锂离子电池的能量密度是指单位体积或质量所存储的电能，是衡量电池储能能 力的重要指标。提高能量密度是锂离子电池技术发展的重要方向。
功率密度
锂离子电池的功率密度是指单位体积或质量所输出的电能，是衡量电池快速充 放电能力的重要指标。提高功率密度有助于提升电动汽车等设备的加速性能和 响应速度。
为锂离子电池产业提供更广阔的发展空间。
06
锂离子电池的挑战与解决 方案
锂离子电池的安全问题与解决方案
总结词
锂离子电池的安全问题是当前面临的重要挑 战，包括过热、过充、短路等情况下的安全 隐患。
详细描述
为了解决锂离子电池的安全问题，需要采取 一系列措施，如改进电池设计、提高电池管 理系统智能化水平、加强生产工艺控制等。 此外，研发新型安全材料也是重要的研究方
工作原理
锂离子电池通过锂离子在正负极之间的迁移实现电能的储存和释放。充电时，锂离子从正极脱出，通过电解液和 隔膜迁移到负极并嵌入；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解液和隔膜迁移到正极并嵌入，同时电子通过外电 路传递形成电流。
锂离子电池的种类
01
02
03
根据正极材料
钴酸锂、磷酸铁锂、三元 材料等。
根据用途

PPT课件
7
二、锂离子电池对正、负极材料的要求
(1) 具有稳定的层状或隧道的晶体结构。
(2) 具有较高的比容量。
(3) 有平稳的电压平台。
(4) 正、负极材料具有高的电位差。
(5) 具有较高的离子和电子扩散系数。
(6) 环境友好。
PPT课件
8
锂电关键技术---正极材料
商品化锂离子电池中正极材料（LiCoO2）的比容量远远小于负 极材料，成为制约锂离子电池整体性能进一步提高的重要因素。
锂离子电池 正极材料
PPT课件
1
一、 锂离子电池回顾
* 锂离子电池工作原理
PPT课件
2
*锂离子电池电极反应
充电
正极反应: LiCoO2
放电
负极反应: 6C+xLi++xe-
Li1-xCoO2+xLi++xe-
充电
放电 LixC6
充电
电池反应: 6C+LiCoO2
放电
PPT课件
Li1-xCoO2+ LixC6
Ni-based
LiNiO2
Co-based
LiCoO2
PO4-based
LiMPO4
主要正极材料
Mn-based
LiMn2O4
容量、稳定性、制备条件
PPT课件
成本、安全、环保
9
三、锂离子电池正极材料
大多数可作为锂离子电池的活性正极材料是含锂的过渡金属化合物，而且以 氧化物为主。 目前已用于锂离子电池规模生产的正极材料为LiCoO2。PPT课件19
LiNi1yCoyO2的电化学性能与其组成密切相关，Co的 加入能够提高电化学循环稳定性。稳定性的提高； 但是

3、Olivine（橄榄石） Mn…..）
LixMPO4
（M=Fe、
§5.3.1具有α-NaFeO2型结构的材料
一、 LiCoO2 ,LiNiO2 ,LiMnO2几种材料 二、材料改进措施
三、正极材料的合成方法 § 5.3.2 具有尖晶石结构的LiMn2O4正极材料 § 5.3.3 具有橄榄石型的复合阴离子正极材料
=Li(oct)M(oct)O2(cp)
❖ 在锂离子电池中，LiMO2为还原态产物，充电时被氧化 成MO2。
❖ 晶格结构的另一个特征是在MO2中锂离子占据的八面 体位置互相连成一维隧道或二维、三维空间，以便锂的
2、LiCoO2
❖ 层状LiCoO2的研究始 于1980年，在理想层 状LiCoO2结构中，Li+ 和Co3+各自位于立方 紧密堆积氧层中交替的 八面体位置，c/a比为 4.899，但是实际上， 由于Li+和Co3+与氧原 子的作用力不一样，氧 原子的分布并不是理想 的密堆结构，而是发生 偏离，呈现三方对称性。
Li1－xCoO2存在的问题：
当锂脱出0.5左右时会发生：发生可逆相变，从三 方对称性转变成为单斜对称性，但不会导致 CoO2次晶格发生明显破坏，因此认为在循环过 程中不会导致结构发生明显的退化；
❖ 但衰当减锂，脱并出伴大随于着0钴.5的时损，失C。oO该2损不失稳是定由，于容钴量从发其生 所在的平台迁移到锂所在的平面，导致结构不稳 定，而且钴离子通过锂离子所在的平面迁移到电 解 质 中 。 因 此 ， X 射 线 衍 射 表 明 ， x<0.5 ， CoCo原子间距稍微降低，而x>0.5，Co-Co原子间 距反而增加。
3、 LiNiO2
与LiCoO2相比,LiNiO2价格便宜，实际脱锂量要高 出30mAh/g

失效机制
容量衰减
明确三元正极材料的失效机制，为优化电池 的循环寿命提供理论支持。
研究三元正极材料在充放电过程中的容量衰 减机制，以为延长电池寿命提供技术支持。
08
参考文献
参考文献
文章标题：锂离子电池三元正极材料的研究进展 作者：张三、李四、王五 发表时间：2020年
THANKS
谢谢您的观看
，可以优化其晶体结构、提高电子导电性和离子扩散系数，进而提高
电池的电化学性能。
02
离子掺杂
通过引入具有特定价态的离子（如Li+、H+、Na+等）对三元正极材
料进行掺杂改性，可以调整其能带结构和电子分布，提高电化学反应
活性和稳定性。
03
共掺杂
将两种或多种元素或离子同时掺入三元正极材料中，实现多元素协同
锂离子电池的工作原理主要涉 及锂离子在正负极之间的迁移 和插入反应。在充电过程中， 锂离子从正极迁移到负极，放
电过程中则相反。
电压与能量
锂离子电池的正负极材料决定 了电池的电压和能量密度。
充放电效率
充放电效率取决于多个因素， 包括电池的化学性质、制造工
艺和使用条件等。
锂离子电池的正极材料
1 2
钴酸锂
三元正极材料是锂离子电池中的关键组成部分，直接影响电 池的性能和安全性。
研究目的和意义
研究三元正极材料的目的是为了提高锂离子电池的能量密 度、寿命和安全性，以满足日益增长的市场需求。
三元正极材料的研究对于推动电动汽车、储能系统等领域 的发展具有重要意义。
02
锂离子电池概述
锂离子电池的工作原理
电极反应
多样化储能需求
随着可再生能源的大规模并网和分布式能源的发展，储能需求多样化，而三元正极材料具 有高能量密度和良好的循环性能，适用于各种储能应用场景。

锂离子电池正极材料幻灯 片PPT
本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！
电化学性能
LiCoO2
LiNiO2 LiMn2O4
数字指尖晶石结构中的晶体位置
二、LiMn2O4正极材料的电化学性能
❖ 当锂离子含量达到x=0.35时 只有B相。
❖ 当x=0.5时电位下降至4.03V， 同时晶格参数增大，此时一半 的 Li8a 位被锂填满 ，电位下 降缓慢，此后锂随机嵌入，形 成固溶体，晶格参数的变化不 明显，电位在4.03～3.9V。
migration of Mn(2+) to the negative electrode and deposition thereof
基于以上影响因素，对尖晶石材料采取的改性措施有以 下三个方面。
一是体相掺杂，如掺入某些阳离子（Al、B、Co等） 或阴离子（如F、S）、或同时掺入阳离子和阴离子可以 减轻Mn的溶解；
二是表面包覆或表面修饰，如在表面形成一层络合物 钝化层，来减少尖晶石与H+的接触，这既可减轻电极表 面电解质的氧化，同时也降低了电极发生歧化反应的可 能；
三是优化电极配方和晶粒粒度及分布
四、材料的改性
1、掺杂
Ni掺杂
Ni在LiMn2O4以二价形式存在，虽然锂的嵌入导 致锰的平均价态低于3.5，即可达到3.3，但是并 没有发现四方相的存在。它同钴、铬一样，能够 稳定尖晶石结构的八面体位置(NiO2的Ni—O结 合能为1029kJ／mol)，使循环性能得到提高。 当充电电压从4.3V提高到4.9V时，发现在4.7V 附近有一新的电压平台，对应于镍从+2价变化 到+4价，可作为5V锂二次电池的正极材料。

Page 18
4.电解质
2015年，全球电解液整体产量为11.1万吨，同比增长34.3%；中国电 解液产量为6.9万吨，同比增长52.7%；从增长速度来看，中国电解液产 量的增长速度明显高于全球。
Page 19
电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料 组成，在一定条件下，按一定比例配制而成的，其中电解质在电解液成 本中比重最大，也是电解液中技术壁垒最高的环节。
锂离子电池
纲要
1.介绍 2.正极材料
3.负极材料
4.电解质材料 5.隔膜材料
Page 2
1.介绍
锂离子电池结构组成
Page 3
工作原理
锂离子电池是一种以 Li+ 在正负极入 嵌和脱嵌来回循环的二次储能电池。 正极一般采用插锂化合物（右图以 LiCoO2为例），负极目前广泛使用石墨层 间锂化合物 LixC6 ，电解质主要是 LiPF6 、 LiClO4等有机溶剂，溶剂分为碳酸乙烯酯 EC 、碳酸丙烯酯 PC 、碳酸二甲酯 DMC 和氯 碳酸酯ClMC。 充电时， Li+ 从正极脱出，经过电解 质嵌入到负极，此过程中伴随电子从正极 沿外电路到达负极，保持正负极电荷平衡； 放电时， Li+ 从负极脱嵌，经电解质回归 正极，同时电子从外电路经负载返回，故 可以看做是一个可逆过程。所以一般要求 Li+ 在正负极来回入嵌、脱嵌过程中正负 极材料晶体结构不会发生明显变化，而只 引起材料层间距的变化。
单层 PE 25 21
单层 PE 25 26
离子阻抗/Ω cm2
2.23
2.55
1.36
1.85
2.66
2.56
孔隙率/% 熔化温度/℃

材料与电池性能的关系
正极材料的选择
• 优化容量和循环寿命 • 增强安全性能 • 提高充放电速率
负极材料的选择
• 增加负极容量 • 提高循环稳定性 • 抑制锂金属电解液反应
电解质的选择
• 提供良好的离子传输 • 保障电池安全性 • 优化电池充放电性能
常见锂离子电池材料介绍
正极材料 - 钴酸锂
广泛应用于手机、电动工具等领 域的正极材料，具有高能量密度 和较好的循环寿命。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
负极材料 - 石墨
常用的负极材料，具有良好的导 电性和循环性能。
电解质 - 聚合物电解质
新型电解质材料，具有较高的离 子传导性、可弯曲性和耐高温性 能。
结语
1 锂离子电池材料的应用前景
锂离子电池材料在电动汽车、可穿戴设备和储能领域有着广阔的应用前景。
2 未来材料研究方向
进一步研究材料的合成方法、表面改性和界面工程，以提高电池性能。
《锂离子电池材料》PPT 课件
欢迎来到《锂离子电池材料》PPT课件。本课程将为您介绍锂离子电池及其关 键材料，探讨材料与电池性能之间的关系，以及常见的锂离子电池材料。让 我们一起开始学习吧！
简介
锂离子电池基本原理
了解锂离子电池的工作原理 和基本运作方式。
材料与电池性能的关系
深入探讨材料在锂离子电池 中的作用，以及不同材料对 电池性能的影响。
常见锂离子电池材料介 绍
介绍目前广泛使用的正极材 料、负极材料和电解质。
锂离子电池基本原理
1 正极材料接受电子
正极材料接受电子并将其嵌入晶格中，储存 能量。
2 负极材料释放电子
负极材料释放电子，在电解质中形成离子。
3 电解质传递离子

Li2Mn2O4之间的相转变。 • Mn氧化态的变化导致杨-泰勒效应，结构破坏，容量衰减。 • 电导率较低，也有待提高。 • 改性主要掺杂阳离子和阴离子、表面处理、溶胶-凝胶法合成。
第8页/共16页
锂离子电池的正极材料（ LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ）
• LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2具有单一的–NaFeO2型层状岩盐结构，空间点群为R3m。 a=0.4904nm，c=1.3884nm。
• LiCoO2循环性能较优越。 • 钴的自然资源有限，价格昂贵。降低氧化钴锂的成本，提高在较高温度(<65 C )下的
循环性能和增加可逆容量是目前研究方向。 • 采用的方法主要有掺杂和包覆。
第6页/共16页
锂离子电池的正极材料（ LiNiO2 ）
• Ni资源丰富，价格便宜。 • LiNiO2实际容量可达190~210mAh/g，明显高于LiNiO2 。 • 当Li1-xNiO2中x<0.5时，能保持结构的完整性。 • 无污染，和多种电解液有良好的相容性。 • LiNiO2制备困难，要求富氧气氛，工艺条件要求高。 • 热稳定性差，易产生安全问题。 • 改性主要采用溶胶-凝胶法，加入掺杂元素和进行包覆。
锂离子电池的发展历史
• 锂一次电池 不可充电
• 锂二次电池 安全性能不高
• 锂离子二次电池
第1页/共16页
锂离子电池的发展历史 • 20世纪70年代，埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，
金属锂作为负极材料，制成首个锂二次电池。 • 1980年，J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。 • 1982年伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有

锂离子电池的充放电制式
❖ 充电制式：恒流充电 恒压充电 ❖ 放电制式：恒流放电 恒阻放电
锂离子电池的充放电曲线图
锂离子电池的优缺点
❖ 优点： ❖ 开路电压高，单体电池电压在3.6～3.8V ❖ 比能量高 ❖ 循环寿命长，自放电小 ❖ 无记忆性，可随时充放电，对环境污染小 ❖ 缺点： ❖ 过充放电保护问题 ❖ 电池成本高 ❖ 大电流放电性能不好， ❖ 电解液是有机溶剂的锂盐溶液，一旦漏液会引起起火，爆炸
聚合物锂离子电池
❖ 作为第三代锂离子电池 的聚合物锂电，有什么 特点和优势，下面我们 来简单的介绍一下
1.聚合物锂离子电池前景
❖ 随着便携式电子产品的应用越来越广、市场需求越 来越多，锂电池的需求量也随之增加。基于如此广 阔的市场，世界各大电池公司为了在这个市场领域 中取得领先的地位，无不致力于开发具有更高能量 密度、小型化、薄型化、轻量化、高安全性、长循 环寿命与低成本的新型电池。其中，聚合物锂离子 (Lithium ion polymer)电池因为具有上述各项优点， 更是各家厂商致力研发的目标。聚合物锂离子电池 基于安全、轻薄等特性，符合便携、移动产品的要 求，因此，在未来2～3年内，聚合物锂电池取代锂 离子电池市场的份额将达50％，被称为21世纪移动 设备的最佳电源解决方案。
电池类型 ( 特 性)
安全性能
几种充电电池性能比较
铅酸电池
镍镉电池
镍氢电池液态锂电池 Nhomakorabea聚合物锂电池
好
好
好
一般
优秀
工作电压 (V)
重量能量比 (Wh/Kg) 体积能量比 (Wh/1) 循环寿命
工作温度 (℃)
2 35
80
300 0～ 60