锂离子电池碳负极界面反应综述PPT讲座讲义.ppt

Outline
概述
SEI膜的形成机理
SEI膜的影响因素
锂离子电池电极界面的表征技术
循环伏安测试碳负极材料SEI膜的研究
总结
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锂离子电池碳负极界面反应综述PPT讲座
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一、概述 电池组成
电极: 活性物质、导电骨架、导电剂和电极粘结剂等；
活性物质是指正、负极中参加电流反应的物质；

电解质: 在电池内部正、负极之间担负传递电荷作用的物质；

隔膜: 防止电池正负极活性物质直接接触，防止电池短路；

外壳: 电池的容器
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锂离子（Lithium-ion）电池
指以两种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化
合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。
正极：LixCoO2 、LixNiO2或LiMn2O4 、LiFePO4等锂化合物。
负极：石墨类负极材料（商品化）。
电解质：溶有LiPF6、LiAsF6等锂盐的有机溶液。
辅助材料：导电碳黑、粘结剂（正极：PVDF，负极：SBR、CMC）、铜箔、铝箔、二***吡咯烷***NMP等。
工作电压：。
优点：工作电压高，比容量高，寿命长，自放电率低，安全
性能好。
缺点：成本高，安全性隐患，大电流性能差。
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锂离子（Lithium-ion）电池工作原理
在充放电过程中，Li＋在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象地称为摇椅电池（Rocking Chair Battery 简称 RCB）。
(-)C6 |lmol/L-1LiPF6-EC+DEC|LiCoO2(+)
正极反应：
LiCoO2 = Li1-xCoO2+xLi++xe-
负极反应：
6C+xLi++ xe- = LixC6
电池总反应：
LiCoO2+6C=Lil-xCoO2+LixC6
锂离子嵌入碳化合物组成通常用LixC(0<x<1)表示。对完整晶态石墨 X=1，理论容量372mAh/g，但多数碳材料，可逆锂离子嵌入量仅为0~。X的大小与碳材料种类和结构、电解质组成、电极结构以及锂离子嵌入速度等有关。
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固体电解质界面膜（ solid electrolyte interphace，SEI膜）
对于所有的碳材料，在锂离子电池首次充放电过程中，即在
锂离子开始嵌入石墨电极之前（>），电极材料与有机电
解液在固液相界面上发生还原分解反应，形成一层覆盖于电极
材料的表面钝化层。这种钝化层是一种界面层，具有固体电解
质的特征，是电子的绝缘体却是Li+的优良导体，Li+可以经过
该钝化层自由地嵌入和脱出，因此这层钝化膜被称为“固体电
解质界面膜”(solid electrolyte interphace，简称SEI膜)。
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SEI膜的形成对电极材料的性能产生至关重要的影响
SEI膜的形成消耗了部分Li+，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的充放电效率，增加了界面阻抗；
对碳负极而言，优良的SEI膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，允许Li+自由地进出碳负极而溶剂分子则不能通过该层钝化膜，从而能有效阻止有机电解液和碳负极的进一步反应以及溶剂分子的共嵌入对电极材料造成的破坏，因而大大提高了碳负极的循环性能和使用寿命；
对正极而言，它可以提高有机溶剂的氧化电位，阻止Li+自发脱嵌，降低有机溶剂对其的破坏。
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二、SEI膜的组成与形成机理
SEI膜厚度约为100-120nm，其组成主要有各种无机成分如Li2CO3、Li2O、LiF、LiOH等和各种有机成分如ROCO2Li、ROLi、（ROCO2Li）2等。
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三、SEI膜的影响因素
SEI膜作为电极材料与电解液在电池充放电过程中的反应产物，它的组成、结构、致密性与稳定性主要是由电极和电解液的性质决定，同时也受到导电剂、温度、充放电电流密度以及SEI膜形成对电压依赖的影响。
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负极材料对SEI膜的影响
负极
石墨化碳
无定形碳
天然石墨
人工石墨
碳纤维
石墨化中间相碳微球
（软碳）：焦炭

（硬碳）：高分子热解碳
负极材料的各种性质