長(zhǎng)壽命錳酸鋰鋰離子電池(中英文)

1、2009.10長(zhǎng)壽命錳酸鋰鋰離子電池長(zhǎng)壽命錳酸鋰鋰離子電池Long life Lithium manganese oxide Li ion battery廣州鴻森材料有限公司申國培研究背景 Research background能源危機(jī) Energy crisis石油枯竭：現(xiàn)在已經(jīng)探明的大概為1萬1500億桶。雖然這比前兩年的估計(jì)數(shù)字增長(zhǎng)了10%，但以目前的開采速度計(jì)算，地球上的石油儲(chǔ)量只夠滿足全世界石油消費(fèi)需要41年。據(jù)美國能源部門估計(jì)，今后20年內(nèi)，世界石油還能供求平衡，但20年后就要面臨缺油的局面。據(jù)美國華爾街日?qǐng)?bào)最新的統(tǒng)計(jì)資料，按照目前的開采速度，世界原油2002年已探明儲(chǔ)量還可以開采

2、40.6年。 加州技術(shù)學(xué)院的物理學(xué)者D古登斯坦在接受美國有線新聞網(wǎng)的財(cái)經(jīng)雜志采訪時(shí)說：“在未來的10到20年里可能會(huì)出現(xiàn)（石油短缺）?！彼a(bǔ)充道：“或許，這種短缺已經(jīng)開始了?！?環(huán)境污染 Environmental pollution 傳統(tǒng)的化石燃料儲(chǔ)量有限，面臨枯竭；使用基本上是通過燃燒，燃燒會(huì)釋放SO2、氮的氧化物NOx及CO2等大氣污染物，造成酸雨和溫室效應(yīng)。 汽車尾氣排放的主要污染物為一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（ NOx ）、鉛（Pb ）等。 Vehicles produce the main part of pollutant in atmosphere such

3、 as CO, hydrocarbon compounds, NOx, Pb and so on.身邊的污染汽車 Pollution around usvehicles鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn) The advantages of lithium ion batteriesl比能量高 high power densityl工作電壓高 high ratel自放電率低 low self discharge l循環(huán)壽命長(zhǎng) long cycle lifel無污染 low pollution l安全性能好 good safety characteristics 應(yīng) 用 Applicationlmobile pho

4、neslElectric bicycleslPower toolslElectric toyslMining lamps, emergency lampslVacuum cleanerl錳資源豐富 abundant Mn resourcel價(jià)格低廉 low cost l環(huán)保 low pollution l安全 safetyl高倍率 high rateLiMn2O4的特點(diǎn)The advantages of lithium manganese oxide cathode不利因素Problems to be resolved:l比容量較低 relatively low energy density

5、l循環(huán)壽命較短 short cycle lifel高溫充放電循環(huán)過程中容量衰減快 significant capacity fading under high temperatureMn溶解的發(fā)生Mn dissolution occurrencexexLiOMnLiOMnLixyy421421充電充電Charge：放電時(shí)正好相反。Discharge is just opposite.LiMn2O4 示意圖Schematic diagram of LiMn2O4改進(jìn)措施 Improvementl正極 Cathode 表面包覆 Surface coating添加金屬離子Element doping

6、(for example, Ni、Fe、Co、Al、Si、Ti、Mo、La、Bi、Nb、Zn、Cr and so on)引入晶粒生長(zhǎng)促進(jìn)劑和界面能調(diào)節(jié)劑 Adding crystal growth accelerant and interfacial energy regulatorl電解液 Electrolyte solution不同功能添加劑 Functional additives l負(fù)極 Anode 合金與碳相混合 Alloy anodes mixed with carbonXRD XRD patterns of Modified LiMn2O4 and LiMn2O4 SEMSEM

7、graph of LiMn2O4SEM graph of doped LiMn2O4SEM graph of coated LiMn2O4錳酸鋰高溫（錳酸鋰高溫（60）溶解試驗(yàn)）溶解試驗(yàn)LiMn2O4 high temperature( 60 ) dissolution experiment 錳酸鋰類型錳酸鋰類型電解液中溶解電解液中溶解Mn的含量的含量（g/mL）LiMn2O4257.69Modified LiMn2O4144.50電解液 Electrolyte 電解液是鋰離子電池的重要組成部分，它與正負(fù)極材料的相容性好壞，對(duì)電池性能有很大的影響。 Electrolyte is the mai

8、n part of lithium ion batteries, and its compatibility with cathode or anode materials has greatly influenced on the battery performance. 與電解質(zhì)相容性影響因素包括：正極表面膜的穩(wěn)定性、電解液組分的氧化分解和LiMn2O4在電解液中溶解。 l電解液組分氧化：Electrolyte oxidation O3H3CO3O(DMC)CHOCOCH222323lLiMn2O4高溫分解： LiMn2O4 decomposition at high temperatur

9、e 4223242xOxLiMnO2x1Ox)Mn(1OMnLilLiMn2O4在電解液中溶解： LiMn2O4 dissolution in electrolyte xElxMnOMnLixEl3xLiOLiMn24x23x142l痕量酸作用下，LiMn2O4發(fā)生歧化反應(yīng)：The disproportion reaction of LiMn2O4 in trace amount acidsO2HMnMnOLi4HOLiMn22242添加劑 Additives l控制HF含量添加劑: Additives for decreasing HF 可以降低HF的含量，阻止其對(duì)電極的破壞和對(duì)LiPF6分

10、解的催化作用，提高電解液的穩(wěn)定性，從而改善電池性能。 乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺等胺類化合物、N,N-二環(huán)己基碳化二亞胺、N,N-二異丙基碳化二亞胺等碳化二亞胺、吡啶、六甲基磷酰胺 l正極成膜添加劑 : Membrane-forming additives 在活性物質(zhì)表面發(fā)生了氧化和電聚合反應(yīng)，形成覆蓋在電極表面的導(dǎo)Li性和導(dǎo)電性薄膜。 聯(lián)苯(BP)、二芐(DBZ)、N-甲基吡咯(MPL)、噻吩（TPN）等，如芳香族化合物（BP, DBI, DPE等）LiMn2O4在改性電解液中的電化學(xué)性能 Electrochemical performance of LiMn2O4

11、in modified electrolyte0100200300400500020406080100120Capacity (mAh/g)LiMn2O4in normal electrolyte44.49%LiMn2O4 in modified electrolyte 66.81%Cycle numberRT Discharge curves of LiMn2O4 in modified electrolyte and normal eletrolyte改性LiMn2O4的倍率放電特性 Rate discharge property of modified LiMn2O40204060801

12、002.83.23.64.04.4Modified LiMn2O415C10C5C Voltage (V)Capacity (mAhg-1)10C5C1C82%59%2.83.23.64.015C 1CLiMn2O4Discharge profiles of LiMn2O4/graphite and Modified LiMn2O4/graphite Li-ion batteries at various discharging rates between 3.0-4.2V; charge rate is fixed at 1C020040060080010001200020406080100

13、120 Capacity retention rate / %Cycle number92%10C/10CCyclic performance of Modified LiMn2O4/C Li-ion batteries at 10C（ 3.0-4.2 V）Cyclic performance of Modified LiMn2O4/C Li-ion batteries （3.0-4.2V） 050010001500200025003000020406080100120 3000cycles-80% 5C charge/10C dischargeCycle numberCapacity ret

14、ention rate / % 0100020003000400050006000020406080100Capacity retention rate / %Cycle number5000cycles-64.5%5C charge/10C discharge Cyclic performance of Modified LiMn2O4/C Li-ion batteries （3.0-4.2V） 02000400060008000020406080100120 Cycle numberCapacity retention rate / % 5C charge/10C discharge800

15、0 cycles-40% Cyclic performance of Modified LiMn2O4/C Li-ion batteries （3.0-4.2V） 改性LiMn2O4的高溫循環(huán)性能Electrochemical performance of modified LiMn2O4 at high temperature 050100150200250300350020406080100Capacity mAh/gCycle number317 cycles, 81.1% 55 OC The high-temperature performance of Modified LiMn2O

16、4/C Li-ion batteries at 1 C charge/discharge rate in 3.0-4.2 V0100200300400500020406080100504cycles, 70.7% 55 OCCycle numberCapacity mAh/g The high-temperature performance of Modified LiMn2O4/C Li-ion batteries at 1 C charge/discharge rate in 3.0-4.2 V0100200300400500600700800020406080100728 cycles,

17、62.3% 55 OCCapacity mAh/gCycle number The cyclic performance of Modified LiMn2O4/C Li-ion batteries at 1 C charge/discharge rate in 3.0-4.2 V負(fù)極 Anodel錫基合金（合金碳包覆）材料 Tin-based alloyl硅基材料 Si-based materials l鈦基材料 Ti-based materials 展望 Prospect 基于以上改進(jìn)，錳酸鋰為正極材料的鋰離子電池具備成本低、安全性高、倍率特性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，隨著錳酸鋰材料和電池技術(shù)的不斷改進(jìn)、優(yōu)化，我們相信錳酸鋰完全可以應(yīng)用到電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池和大型的儲(chǔ)能電池中！ We believe that lithium manganese oxide would be applied in lithium ion b