聚合物在锂离子电池中的应用

概要：  第一部分：选题的背景  第二部分：锂离子电池及其应用的聚合 物  第三部分：锂离子电池的应用

第一部分：选题的背景 本题涉及的是新能源材料的问题 : 新能源材料的特点： ⑴ 新材料把原来使用的能源变成新能源。 ⑵ 一些新材料可以提高储能和能量转化效果 新能源材料开发面临的问题 : ⑴ 资源的合理利用。 ⑵ 安全与环境保护。 ⑶ 材料规模化生产的制作与加工。 ⑷ 延长材料的使用寿命。

二次电池简介： ⑴ 什么是二次电池？ ⑵ 为什么二次电池能够迅猛发展？ ⑶目前对二次电池研究的新重点： ⅰ. 储氢材料及金属氢化物镍电池； ⅱ. 锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池； ⅲ. 聚合物电解质锂离子电池；

第二部分： 锂离子电池及其应用的聚合物  一、概述  二、工作原理  三、正极材料  四、负极材料  五、电解质材料

一、概述 定义：锂离子电池是指 以锂离子嵌入化合物 为正极材料电池的总 称。锂离子电池的充 放电过程，就是锂离 子的嵌入和脱嵌过程。

与其优点比起来, 锂离子电池的缺点不应成为问题, 特别是它应用在高 附加值和高科技产品中.  特点：  ⑴优点  ① 体积和质量比能量高。（体积比能量就是单位体积的能量，质量比能 量类似）  ②平均输出电压高，一般为 3.6V ，是 Cd-Ni ， MH-Ni 电池的三倍；  ③可大电流放电，输出功率大；  ④自放电率小，每月放电不超过 10% ，不到 Cd-Ni ， MH-Ni 电池的一半；  ⑤放电时间长、循环性能好、使用寿命长，可达 1200 次；  ⑥充电效率高，可达 100% ，而且可快速充电；  ⑦没有环境污染，称为 “ 绿色电池 ”  ⑵缺点  ①成本高，主要是正极活性材料价格高；  ②必须有特殊保护电路，以防过充电；  ③与普通电池的相容性差，一般要在 3 节普通电池的情况下才能用锂离子 电池代替。

二、工作原理  以石墨负极和 LiCoO2 正极为例： 充电反应为： 正极 : 负极 : 电池反应 :  在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，而嵌入负极，即锂离子从高 浓度正极向低浓度负极的迁移过程；放电过程类似。 LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe 6C + xLi + + xe → Li x C 6 6C + LiCoO 2 → Li 1-x CoO 2 + Li x C 6

三、正极材料  主要有：  氧化钴锂正极材料、氧化镍锂正极材料、 氧化锰锂正极材料、钒氧化物正极材料 等  通过掺杂其它元素、改进制备工艺等材 料改性手段可以有效的提高脱嵌相的稳 定性，提高可逆容量和抑制容量衰减。

四、负极材料 碳基负 极材料 石墨化碳 负极材料 无定形 碳材料 其它碳 负极材料 : 富乐烯 碳纳米管  负极材料分为： 碳基负极材料和非碳基负极材料两大类； 非碳负 极材料 氮化物 硅及 硅化物 锡基氧 化物及 锡化物 钛的 氧化物 对碳基负极材料的改性 :1. 引入非金属元素 ;2. 引入金属元 素 ;3. 进行表面处理 ;4. 采用机械化学法 ( 粉碎等 ).

五、聚合物电解质材料 ( 来自《高能化学电源》 ) 电解质种类结构特点电解质体系性能特点 凝胶聚合物 交联型 ①聚合物：聚醚类（ PEO ）聚丙烯腈 （ PAN ）聚甲基丙烯酸酯（ PMMA ）聚 偏氟乙烯（ PVDF ）等 ② 液体增塑剂（低分子量聚乙二醇） 化学交联： 性能稳定，不受温 度和时间的影响 物理交联： 温度升高或长时间 放置发生容胀、 溶解、增塑剂析 出 非交联型 ① 聚合物：聚醚类（ PEO ）聚丙烯腈 （ PAN ）聚甲基丙烯酸酯（ PMMA ）聚 偏氟乙烯（ PVDF ）等 ② 液体增塑剂（低分子量聚乙二醇） 全固态聚合物 交联型 ①聚合物：聚醚类（ PEO ）聚丙烯腈 （ PAN ） 聚甲基丙烯酸酯（ PMMA ）聚偏氟乙烯（ PVDF ）等 ①填料：有机低分子化合物、无机物、有 机 - 无机混合物 非交联型 ①聚合物：聚醚类（ PEO ）聚丙烯腈 （ PAN ） 聚甲基丙烯酸酯（ PMMA ）聚偏氟乙烯（ PVDF ）等 ② 填料：有机低分子化合物、无机物、有 机 - 无机混合物

聚氧化乙烯类（ PEO ）  PEO 在 20 世纪 80 年代开始作为电解质基体应用于电池中，其主要特点是： 玻璃转化温度低和无定形相含量高。  PEO 的离子导电机理：离子通过 PEO 的局部松弛和链段的运动实现快速 迁移，该迁移主要发生在无定形相中。  通常的改性方法：共聚、交联、掺杂盐、加增塑剂和无机填料。

聚丙烯腈 (PAN ） PAN 基电解质的研究始于 1975 年。 其优点是：  合成简单  性能稳定  热稳定性高  不易燃烧 缺点：离子电导率较低；但可以通过以下手段对其凝胶电解质进行改进：  选择合适的非水溶剂，如：用 EC/DMC 或 EC/DEC 混合溶剂代替 PC/EC ，可以避 免 PC 的分解进而提高电导率；  改善基体，通过共聚等方法可以减少聚丙烯腈的结晶性；  加入添加剂，如：加入三氧化二铝增塑后其室温电导率达 0.23ms/cm ；  减少凝胶中的杂质  提高电解质的均匀性

聚甲基丙烯酸酯（ PMMA ） PMMA 为非晶态高分子化合物，透明性好， 1985 年开始用于锂离 子电池。 PMMA 系凝胶电解质的特点是与金属锂电极的界面电阻 低；通过共聚可以得到离子电导率、机械强度和化学稳定性都较 高的聚合物电解质； 聚偏氟乙烯（ PVDF ） PVDF 均聚物为离子电导率高的电解质，具有优良的耐溶剂性能，热 稳定性能和耐候性能等。 锂离子电池用的聚偏氟乙烯化合物有聚偏氟乙烯均聚物和氟化乙烯 与六氟丙烯共聚物等

几种最新的聚合物电解质 Ref. 石 桥等 锂离子电池用聚合物电解质的最新进展 I. 干态聚合物电解质 [J], 电子元 件与材料,2003,11.22(11):53~57.

聚合物电解质研究趋势 （来自陈光主编〈新材料概论〉）  聚合物电解质存在着电导性与力学性能的矛盾，以及 常温电导率不高、稳定性不好的问题。可以预测，今 后几年聚合物电解质技术的研究将主要集中在 ：  解决电导性与力学性能的矛盾；  从分子水平上阐述聚合物电解质的结构与导电机制的关系；  聚合物超离子导体；  聚合物单离子导体。

电池 型号 圆 柱 形圆 柱 形方 形 mm 宽 30mm 宽 34mm 宽 容量 /mAh 直径 /mm 高度 /mm 宽度 /mm 长度 /mm 48 第三部分：锂离子电池的应用 ⑴ 在电子产品方面的应用： ① 手机： 手机用锂离子电池的技术指标

②笔记本电脑： 笔记本电脑的电压为 10V 以上，容量大，一般采用 3~4 个单电池串联就可以满足电压要求，然后再将 2~3 个串 联的电池组并联，以保证较大的容量。 ⑵ 交通工具方面的应用： ① 电动自行车：采用铅酸蓄电池，电池本身重就达十几 公斤而采用锂离子电池则只有 3kg 重；

② 电动汽车： 具有以下优点： ⅰ. 低污染排放； ⅱ. 低噪声、无废热； ⅲ. 提高能源利用率； ⅳ. 减缓能源危机； ⅴ. 不会产生内燃机油污，耗油率为 “ 零 ” ； ⅵ. 寿命长（大于 10 年），维护费用低，直接传动而驾驶 平稳且无歇停振动现象等；

我国 “863” 计划电动汽车重大专项计划书中要求锂离子电池作为电动汽 车动力必须达到的性能（ 来自《高能化学电源》） 质量比能量 / （ W·h/kg ） >130 功率密度 / （ W/kg ） >1600 循环次数 / 次 >500 行驶里程 / 万公里 >10 电池工作温度 / ℃ -20~55 索尼公司以锂离子电池为动力的电动汽车部分试车结果 （来自《锂离子电池》） 参 数性 能 长 x 宽 x 高 /mm 4145x1695x1565 乘客数 / 人 4 质量 /kg 1700 每次充电行驶里程 /km >200 最大速率 / （ km/h ） 120 从 0 加速到 80km/h 所需时间 /s 12

⑶ 在军事上的应用 ： 美国军用锂离子电池的技术指标为：工作电压为 4.0V ，比能量为 90w · h/kg ，功率密度为 40w/kg ，工作温度为： -20~55 ℃。 （ The design of electrolytes,i.e.ionic conductors and electronic insulators, using crystalline solids, polymers, or composites consisting of polymer-liquid or ceramic-liquid combinations.Ref.NSF ） 主要应用：军事通讯，鱼雷、潜艇、导弹等尖端武器上； ⑷ 其他应用 ① 医学 主要应用于助听器、心脏起搏器等； ② 手表 更环保； ③ 地下采油 因为地下采油的温度高， 采用聚合物锂离子电池可以满足其要求 并且聚合物锂离子电池的电导率高能有效地提供电力。

东方欲晓，莫道君行早。踏遍青山人未老，风景这边独好。 会昌城外高峰，颠连直接东溟。战士指看南粤，更加郁郁葱葱。

谢谢！