鋰離子電池與鋰電池

1、鋰離子電池與鋰電池鋰離子電池的工作原理鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池的結構如圖所示: 一般由正極、負極和高分子隔膜構成。 鋰離子電池的正極材料必須有能夠接納鋰離子的位置和擴散路徑，目前應用性能較好的正極材料是具有高插入電位的層狀結構的過渡金屬氧化物和鋰的化合物，LixCoO2，LixNiO2以及尖晶石結構的LiMn2O4等，這些正極材料的插鋰電位都可以達到4V以上。負極材料一般用鋰碳層間化合物LixC6，其電解質一般采用溶解有鋰鹽LiPF6、LiAsF6的有機溶液。典型的鋰離子蓄電池體系由碳負極(焦炭、石墨)、正極氧化鈷鋰(LixCoO2）和有機電解液三部分組成。什么是鋰離子電池？ 鋰離子電

2、池實際上是一種鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質嵌入負極，負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負極，保證負極的電荷平衡。放電時則相反，Li+從負極脫嵌，經(jīng)過電解質嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)。 在正常充放電的情況下，鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結構氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距變化，不破壞晶體結構，在充放電過程中，負極材料的化學結構基本不變。因此，從充放電反應的可逆性看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應。所以二次鋰離子電池被形象地稱為“搖椅式電池”。鋰離子電池的電化學表達式：正極反應：負極反應：

3、電池反應：式中：M=Co、Ni、Fe、W等。14年課標2卷12122013年3月我國科學家報道了如圖所示的水溶液鋰離子電池體系，下列敘述錯誤的是（ ） Aa為電池的正極 B電池充電反應為 LiMn2O4=Li1-xMn2Ox+xLi C放電時，a極鋰的化合價發(fā)生變化 D放電時，溶液中Li+從b向a遷移 13年課標1卷27(15分)鋰離子電池的應用很廣，其正極材料可再生利用。某鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰(LiCoO2)、導電劑乙炔黑和鋁箔等。充電時，該鋰離子電池負極發(fā)生的反應為6C+xLi+xe=LixC6?，F(xiàn)欲利用以下工藝流程回收正極材料中的某些金屬資源(部分條件未給出)。(1)LiCoO2中

4、，Co元素的化合價為_。(2)寫出“正極堿浸”中發(fā)生反應的離子方程式_。(3)“酸浸”一般在80下進行，寫出該步驟中發(fā)生的所有氧化還原反應的化學方程式 _ ；可用鹽酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺點是_ _。 (4)寫出“沉鈷”過程中發(fā)生反應的化學方程式_。 (5)充放電過程中，發(fā)生LiCoO2與Li1-xCoO2之間的轉化，寫出放電時電池反應方程式_ (6)上述工藝中，“放電處理”有利于鋰在正極的回收，其原因是_。在整個回收工藝中，可回收到的金屬化合物有_(填化學式)。2A1+20H-+6H2O=2Al(OH)4-+3H22LiCoO2+3H2SO4+H2O2=Li2SO4+2CoS

5、O4+O2+4H2O2H2O2=2H2O+O2Li1xCoO2+LixC6=LiCoO2+6CLi從負極中脫出，經(jīng)由電解質從負極中脫出，經(jīng)由電解質向正極移動并進入正極材料中向正極移動并進入正極材料中27(15分) (1)+3 (2)2A1+20H+6H2O=2Al(OH)4+3H2 (3)2LiCoO2+3H2SO4+H2O2Li2SO4+2CoSO4+O2+4H2O 2H2O22H2O+O2 有氯氣生成，污染較大 (4)CoSO4+2NH4HCO3=CoCO3+(NH4)2SO4+H2O+CO2 (5)Li1xCoO2+LixC6=LiCoO2+6C (6)Li從負極中脫出，經(jīng)由電解質向正極

6、移動并進入正極材料中 Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4什么是鋰電池 選修四P75 鋰電池是負極為Li的電池（正極可以是MnO2 CuO FeS2等）鋰電池和鋰離子電池的區(qū)別在哪里？鋰電池和鋰離子電池的區(qū)別在哪里？ 鋰電池的特點 1、具有更高的能量重量比、能量體積比； 2、電壓高，單節(jié)鋰電池電壓為3.6V，等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓； 3、自放電小可長時間存放，這是該電池最突出的優(yōu)越性； 4、無記憶效應。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應，所以鋰電池充電前無需放電； 5、壽命長。正常工作條件下，鋰電池充/放電循環(huán)次數(shù)遠大于500次； 6、可以快速充電。鋰電池通?？梢圆捎?.51

7、倍容量的電流充電，使充電時間縮短至12小時； 7、可以隨意并聯(lián)使用； 8、由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對環(huán)境無污染，是當代最先進的綠色電池； 鋰離子電池具有以下優(yōu)點： 1） 電壓高，單體電池的工作電壓高達3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍 2） 比能量大，目前能達到的實際比能量為100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未來隨著技術發(fā)展,比能量可高達150Wh/kg和400 Wh/L 3） 循環(huán)壽命長,一般均可達到500次以上,甚至1000次以上.對于小電流放電的電器,電池的使用期限 將倍增電器的競爭力. 4） 安全性

8、能好,無公害,無記憶效應.作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應用領域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。 5） 自放電小，室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6) 可快速充放電，1C充電是容量可以達到標稱容量的80%以上。 7) 工作溫度范圍高，工作溫度為-2545C，隨著電解質和正極的改進，期望能擴寬到-4070C。 鋰離子電池也存在著

9、一定的缺點，如： 1） 電池成本較高。主要表現(xiàn)在正極材料LiCoO2的價格高（Co的資源較少），電解質體系提純困難。 2） 不能大電流放電。由于有機電解質體系等原因，電池內阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。 3） 需要保護線路控制。 A、 過充保護：電池過充將破壞正極結構而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內部壓力過高而導致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恒壓下充電； B、 過放保護：過放會導致活性物質的恢復困難，故也需要有保護線路控制。 摘要：綜述了鋰離子電池的發(fā)展趨勢，簡述了鋰離子電池的充放電機理理論研究狀況

10、，總結歸納了作為核心技術的鋰電池正負電極材料的現(xiàn)有的制備理論和近來發(fā)展動態(tài)，評述了正極材料和負極材料的各種制備方法和發(fā)展前景，重點介紹了目前該領域的問題和改進發(fā)展情況。、成本高。與其它可充電池相比，鋰電池價格較貴。 鋰電池和鋰離子電池的區(qū)別在哪里？ 鋰電池的特點 1 、具有更高的能量重量比、能量體積比； 2 、電壓高，單節(jié)鋰電池電壓為3.6V，等于3 只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓； 3 、自放電小可長時間存放，這是該電池最突出的優(yōu)越性； 4 、無記憶效應。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應，所以鋰電池充電前無需放電； 5 、壽命長。正常工作條件下，鋰電池充/ 放電循環(huán)次數(shù)遠大于500次； 6

11、 、可以快速充電。鋰電池通常可以采用0.51 倍容量的電流充電，使充電時間縮短至1 2 小時； 7 、可以隨意并聯(lián)使用； 8 、由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對環(huán)境無污染，是當代最先進的綠色電池； 鋰離子電池具有以下優(yōu)點： 1 ） 電壓高，單體電池的工作電壓高達3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H電池的3 倍 2 ） 比能量大，目前能達到的實際比能量為100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2 倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）, 未來隨著技術發(fā)展, 比能量可高達150Wh/kg和400 Wh/L 3 ） 循環(huán)壽命長, 一般均可達到500次以上, 甚至1000次以上.

12、 對于小電流放電的電器, 電池的使用期限 將倍增電器的競爭力. 4 ） 安全性能好, 無公害, 無記憶效應. 作為Li-ion前身的鋰電池, 因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路, 縮減了其應用領域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“ 記憶效應” ，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。 5 ） 自放電小，室溫下充滿電的Li-ion儲存1 個月后的自放電率為10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6) 可快速充放電，1C充電是容量可以達到標稱容量的80%以上。 7) 工作溫度范圍高

13、，工作溫度為-2545C ，隨著電解質和正極的改進，期望能擴寬到-4070C 。 鋰離子電池也存在著一定的缺點，如： 1 ） 電池成本較高。主要表現(xiàn)在正極材料LiCoO2的價格高（Co的資源較少），電解質體系提純困難。 2 ） 不能大電流放電。由于有機電解質體系等原因，電池內阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。 3 ） 需要保護線路控制。 A 、 過充保護：電池過充將破壞正極結構而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內部壓力過高而導致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恒壓下充電； B 、 過放保護：過放會導致活性物質的

14、恢復困難，故也需要有保護線路控制。 摘要：綜述了鋰離子電池的發(fā)展趨勢，簡述了鋰離子電池的充放電機理理論研究狀況，總結歸納了作為核心技術的鋰電池正負電極材料的現(xiàn)有的制備理論和近來發(fā)展動態(tài)，評述了正極材料和負極材料的各種制備方法和發(fā)展前景，重點介紹了目前該領域的問題和改進發(fā)展情況。、成本高。與其它可充電池相比，鋰電池價格較貴。 鋰電池的特點 1、具有更高的能量重量比、能量體積比； 2、電壓高，單節(jié)鋰電池電壓為3.6V，等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓； 3、自放電小可長時間存放，這是該電池最突出的優(yōu)越性； 4、無記憶效應。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應，所以鋰電池充電前無需放電； 5、壽命

15、長。正常工作條件下，鋰電池充/放電循環(huán)次數(shù)遠大于500次； 6、可以快速充電。鋰電池通?？梢圆捎?.51倍容量的電流充電，使充電時間縮短至12小時； 7、可以隨意并聯(lián)使用； 8、由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對環(huán)境無污染，是當代最先進的綠色電池；鋰離子電池具有以下優(yōu)點：1） 電壓高，單體電池的工作電壓高達3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍 2） 比能量大，目前能達到的實際比能量為100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未來隨著技術發(fā)展,比能量可高達150Wh/kg和400 Wh/L 3） 循環(huán)壽命長,一般均可達到500

16、次以上,甚至1000次以上.對于小電流放電的電器,電池的使用期限 將倍增電器的競爭力. 4） 安全性能好,無公害,無記憶效應.作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應用領域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。 5） 自放電小，室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6) 可快速充放電，1C充電是容量可以達到標稱容量的80%以上。 7) 工作溫度范

17、圍高，工作溫度為-2545C，隨著電解質和正極的改進，期望能擴寬到-4070C。鋰離子電池也存在著一定的缺點 1） 電池成本較高。主要表現(xiàn)在正極材料LiCoO2的價格高（Co的資源較少），電解質體系提純困難。 2） 不能大電流放電。由于有機電解質體系等原因，電池內阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。 3） 需要保護線路控制。 A、 過充保護：電池過充將破壞正極結構而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內部壓力過高而導致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恒壓下充電； B、 過放保護：過放會導致活性物質的恢復困難，故也需要

18、有保護線路控制。 摘要：綜述了鋰離子電池的發(fā)展趨勢，簡述了鋰離子電池的充放電機理理論研究狀況，總結歸納了作為核心技術的鋰電池正負電極材料的現(xiàn)有的制備理論和近來發(fā)展動態(tài)，評述了正極材料和負極材料的各種制備方法和發(fā)展前景，重點介紹了目前該領域的問題和改進發(fā)展情況。、成本高。與其它可充電池相比，鋰電池價格較貴。 （2009浙江理綜12） 市場上經(jīng)常見到的標記為市場上經(jīng)常見到的標記為Li-ion的電池稱為的電池稱為“鋰離子電鋰離子電池池”。它的負極材料是金屬鋰和碳的復合材料（碳作為金。它的負極材料是金屬鋰和碳的復合材料（碳作為金屬鋰的載體），電解質為一種能傳導屬鋰的載體），電解質為一種能傳導Li的高分

19、子材料。這的高分子材料。這種鋰離子電池的電池反應為：種鋰離子電池的電池反應為： Li+2Li 下列說法不正確的是下列說法不正確的是 A放電時，負極的電極反應式：放電時，負極的電極反應式：Li-e=Li+ B充電時，充電時，Li既發(fā)生氧化反應又發(fā)生還原反應既發(fā)生氧化反應又發(fā)生還原反應 C該電池不能用水溶液作為電解質該電池不能用水溶液作為電解質 D放電過程中放電過程中Li向負極移動向負極移動0.3520.8522NiOLiNiO 放電充電答案D【解析】A項，Li從零價升至正價，失去電子，作為負極，正確； B項，反應逆向進行時。反應物只有一種，故化合價既有升，又有降，所以既發(fā)生氧化反應又發(fā)生還原反應

20、，正確； C項，由于Li可以與水反應，故應為非水材料，正確； D項，原電池中陽離子應遷移至正極失電子，故錯。（2009四川理綜29）（15分）新型鋰離子電池在新能源的開發(fā)中占有重要地位?？捎米鞴?jié)能環(huán)保電動汽車的動力電池。磷酸亞鐵鋰（LiFePO4）是新型鋰離子電池的首選電極材料，它的制備方法如下：方法一：將碳酸鋰、乙酸亞鐵(CH3-COO) Fe、磷酸二氫銨按一定比例混合、充分研磨后，在800左右、惰性氣體氛圍中煅燒制得晶態(tài)磷酸亞鐵鋰，同時生成的乙酸及其它產(chǎn)物均以氣體逸出。方法二：將一定濃度的磷酸二氫銨、氯化鋰混合溶液作為電解液，以鐵棒為陽極，石墨為陰極，電解析出磷酸亞鐵鋰沉淀。沉淀經(jīng)過濾、洗

21、滌、干燥，在800左右、惰性氣體氛圍中煅燒制得晶態(tài)磷酸亞鐵鋰。在鋰離子電池中，需要一種有機聚合物作為正負極之間鋰離子選移的介質，該有機聚合物的單體之一（用M表示）的結構簡式如下：請回答下列問題：（1）上述兩種方法制備磷酸亞鐵鋰的過程都必須在惰性氣體氛圍中進行。其原因是 。（2）在方法一所發(fā)生的反應中，除生成磷酸亞鐵鋰、乙酸外，有、（填化學式）生成。（3）在方法二中，陽極生成磷酸亞鐵鋰的電極反應式為。（4）寫出M與足量氧化鈉溶液反應的化學方程式：。（5）已知該鋰離子電池在充電過程中，陽極的磷酸亞鐵鋰生成磷酸鐵，則該電池放電時正極的電極反應式為。答案.（15分）（1）為了防止亞鐵化合物被氧化 （2

22、）COHONH3 （3分）（3）Fe+H2PO4-+Li+2e-LiFePO4+2H+ （3分）（4） （3分）（5）FePO4+Li+e=LiFePO4 （3分）【解析】（1）亞鐵離子具有強還原性，制備磷酸亞鐵鋰的過程都必須在惰性氣體氛圍中進行。其原因是為了防止亞鐵化合物被氧化（2）將碳酸鋰、乙酸亞鐵、磷酸二氫銨在800左右、惰性氣體氛圍中煅燒制得晶態(tài)磷酸亞鐵鋰、乙酸及其它產(chǎn)物均以氣體逸出。根據(jù)題意和元素守恒，可得其他產(chǎn)物為：CO、HO和NH3 。（3）將一定濃度的磷酸二氫銨、氯化鋰混合溶液作為電解液，以鐵棒為陽極，石墨為陰極，電解析出磷酸亞鐵鋰沉淀。陽極生成磷酸亞鐵鋰的電極反應式為Fe+H

23、P+Li+2eLiFePO4+2H+ (4) M具有酯基，在堿性條件下可發(fā)生水解，M與足量氧化鈉溶液反應的化學方程式：【考點分析】氧化還原、電極方程式、有機化學方程式綜合運用（2009海南化學15）(9分)Li-SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳，電解液是LiAlCl4-SOCl2。電池的總反應可表示為：4Li+2SOCl2 = 4LiCl +S +SO2。 請回答下列問題： (1)電池的負極材料為 ，發(fā)生的電極反應為 ； (2)電池正極發(fā)生的電極反應為 ；(3)SOCl2易揮發(fā)，實驗室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。 如果把少量水滴到

24、SOCl2中，實驗現(xiàn)象是 ，反應的化學方程式為 ；(4)組裝該電池必須在無水、無氧的條件下進行，原因是 。答案：（1）鋰 （2分）（2）（2分）（3）出現(xiàn)白霧，有刺激性氣體生成 （3分）（4）鋰是活潑金屬，易與、反應；也可與水反應（2分）【解析】分析反應的化合價變化，可得Li為還原劑 ，SOCl2為氧化劑。（1）負極材料為Li（還原劑），Li e- = Li+ （2）負極反應式可由總反應減去負極反應式得到：2SOCl2 + 4 e = 4Cl + S + SO2 （3）題中給出有堿液吸收時的產(chǎn)物，則沒有堿液吸收時的產(chǎn)物應為SO2和HCl，所以現(xiàn)象應該為出現(xiàn)白霧和有刺激性氣體生成。（4）因為構成

25、電池的兩個主要成份Li能和氧氣水反應，且SOCl2也與水反應（2010江蘇化學，18）(12分）正極材料為的鋰離子電池被廣泛用作便攜式電源。但鈷的資源匱乏限制了其進一步發(fā)展。（1）橄欖石型是一種潛在的鋰離子電池正極材料，它可以通過、與溶液發(fā)生共沉淀反應，所得沉淀經(jīng)80真空干燥、高溫成型而值得。共沉淀反應投料時，不將和溶液直接混合的原因是 。共沉淀反應的化學方程式為 。高溫成型前，常向中加入少量活性炭黑，其作用除了可以改善成型后的的導電性能外，還能 。（2）廢舊鋰離子電池的之極材料試樣（主要含有及少量AI、Fe等）可通過下列實驗方法回收鈷、鋰。在上述溶解過程中，在溶解過程中反應的化學方程式為 。

26、在空氣中加熱時，固體殘留率隨溫度的變化如右圖所示。已知鈷的氫氧化物加熱至290時已完全脫水，則1000時，剩余故土成分為 。（填化學式）；在350400范圍內，剩余故土成分為 。（填化學式）。答案：（2010安徽理綜，27）（14分）鋰離子電池的廣泛應用使回收利用鋰貨源成為重要課題：某研究性學習小組對廢舊鋰離子電池正極材料（LiMn2O4、碳粉等涂覆在鋁箔上）進行資源回收研究，設計實驗流程如下：1）第步反應得到的沉淀X的化學式為 。 （2）第步反應的離子方程式是 。 （3）第步反應后，過濾Li2CO3所需的玻璃儀器有 。若過濾時發(fā)現(xiàn)濾液中有少量渾濁，從實驗操作的角度給出兩種可能的原因： 、 。 （4）若廢舊鋰離子電池正極材料含LiMn2O4的質量為181 g第步反應中加入200mL3.0molL-1的H2SO