教学项目十 锂离子电池基本原理（教学课件）- 《电动汽车动力蓄电池与管理系统》同步精品课堂

教学项目十 锂离子电池基本原理 《电动汽车动力蓄电池及管理系统》 教学项目十 锂离子电池基本原理 教学目标 1.了解锂元素的基本化学性质。 2.掌握磷酸铁锂电池工作原理。 3.掌握锂离子电池正、负极材料特性。 4.掌握三元锂电池工作基本原理与正、负极特性。 5.了解锂离子电池电解液与隔膜作用与组成。 教学重、难点 1.锂离子电池的工作过程与原理。 2.对锂离子电池电极电位的理解。 教学导入方法 通过当代电动汽车动力电池主要使用锂离子电池的种类导入教学。 教学项目十 锂离子电池基本原理 教学主要内容目录 一、锂元素基本知识 二、磷酸铁锂基本知识 三、磷酸铁锂电池正极材料特性 四、锂离子电池负极材料特性 五、磷酸铁锂电池的工作原理 六、磷酸铁锂电池的理论电压 七、钴酸锂电池 八、镍酸锂电池 九、锰酸锂电池 十、三元锂电池 十一、锂离子电池的电解液 十二、锂离子电池的隔膜 十三、锂离子电池技术的发展 十四、思考题 教学项目十 锂离子电池基本原理 低相对原子质量 极低的还原电位 单价电荷 锂（Li）——元素周期表中第三号元素。 锂的独特性质： 一、锂元素基本知识 锂原子结构： 锂原子有2个电子层，最外电子层有1个电子。 锂原子很容易失去一个核外电子，生成了带一个正电荷的锂离子Li+。 金属锂在自然界中不能单独存在。 Li-e=Li+ ——被称为金属锂被氧化，也可以称为氧化反应。 Li+ +e=Li ——被称为锂离子被还原，也可以称为还原反应。 锂离子若得到一个电子，重新生成金属锂离子Li。 Li+ 是最小的金属离子小，带一个正电荷，因此，非常适合作为能在溶液中移动的正电荷载子，即：载流子， 金属锂 教学项目十 锂离子电池基本原理 LiFePO4（磷酸铁锂）是金属锂的化合物，各元素的存在形式及化合价为： Li+——锂离子，正1价，是金属锂的氧化态。 Fe2+——亚铁离子，正2价，是金属铁的氧化态。 PO43-——磷酸根离子，负3价，是磷酸的酸根。 磷酸铁锂是黑色粉末，作为锂子电池的正极材料 Fe2+（亚铁离子）可以继续失去一个电子成为Fe3+（铁离子）。 教学项目十 锂离子电池基本原理 二、磷酸铁锂基本知识 Fe2+-e= Fe3+ 亚铁离子被氧化 反之： Fe3++e=Fe2+ 铁离子被还原 FePO4的特性：可以得到一个电子，同时可接受一个Li+ 即： FePO4+e+Li+=LiFePO4 这个过程称为离子的“嵌入”。 LiFePO4晶体的特性——可以失去一个电子，同时脱离出一个Li+ ， 即： LiFePO4-e=FePO4+Li+ 这个过程称为离子的“脱嵌”。 Li+嵌入与脱嵌过程中，Fe2+——Fe3+完成互相转换。 教学项目十 锂离子电池基本原理 磷酸铁锂电池的正极材料的电极电对： FePO4-/ FePO4 电极反应： FePO4- -e=FePO4 或：LiFePO4-e=FePO4+Li+ 标准电极电位： Eθ(FePO4 / FePO4-)= 0.32V 三、磷酸铁锂电池正极材料特性 磷酸铁锂电池是使用最为广泛的锂离子动力蓄电池，使用磷酸铁锂为正极材料。 磷酸铁锂电池 教学项目十 锂离子电池基本原理 教学项目十 锂离子电池基本原理 四、锂离子电池负极材料特性 锂离子电池选择石墨为负极材料。 石墨晶体的特性： 每个碳原子之间形成3个共价键。 网状结构 分层结构 有吸附作用 导电性能好 网状石墨晶体结构 教学项目十 锂离子电池基本原理 石墨晶体——可以大量嵌入锂原子 石墨可以容纳的锂原子比例：C/Li=6/1 用：LiC6 表示 石墨晶体中嵌入锂原子 选择石墨晶体为锂离子电池的负极材料的原因： 负极反应：Li+ +e+6C ⇌ Li C6 教学项目十 锂离子电池基本原理 锂离子在负极材料石墨上得到电子生成的锂原子可以嵌入在石墨晶体中，即“嵌入”。 负极“嵌入”的电极反应： Li++e=Li ——锂离子被还原 ，嵌入石墨晶体。 锂原子在石墨晶体中的“嵌入” 教学项目十 锂离子电池基本原理 石墨晶体中的金属锂原子可以失去电子，生成锂子脱离石墨晶体，即“脱嵌”。 负极脱嵌的电极反应： Li -e= Li+——锂原子失去电子，被氧化，脱嵌 锂离子在石墨晶体中的“脱嵌” 金属锂电极电对： Li+/Li 标准电极电位： Eθ(Li+/ Li)= -3.0401V 教学项目十 锂离子电池基本原理 五、磷酸铁锂电池的工作原理 正极材料的电极反应： 正极失去电子，同时Li+脱嵌，进入电解液成为载流子。 电解