锂离子电池介绍

锂离子电池介绍研发部简介锂离子电池(Li-ionBatteries)是锂电池发展而来。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。也可以充电，但循环性能差。锂离子电池以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。在Li-ionBatteries的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ionBatteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在来回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫摇椅式电池。锂离子电池组成部分正极——活性物质一般为钴酸锂、镍钴锰酸锂材料和磷酸铁锂材料，导电集流体使用厚度10～20微米的电解铝箔。隔膜——一种特殊的复合膜，可以让离子通过，但却是电子的绝缘体。负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7～15微米的电解铜箔。有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。电池外壳——分为钢壳（现在方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。锂离子电池反应机理正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-放电时：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。充电时：xLi++xe-+6C→LixC6放电时：LixC6→xLi++xe-+6C锂离子电池优点电压高，单体电池的工作电压高达3.7～3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍。比能量大，材料能达到150mAh/g以上的比容量，比能量3～4倍于Ni-Cd，2～3倍于Ni-MH。循环寿命长，一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。安全性能好，无公害，无记忆效应。自放电小，室温下充满电的Li-ionBatteries储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd和Ni-MH电池。可快速充放电，1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，现在磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。工作温度范围高，工作温度为-25~45°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。锂离子电池缺点合格率：不合格率高，大约有1％的电池因种种原因不合格。不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命缩短。不耐受过放：过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。成本高：如橄榄石型的磷酸铁锂材料，具有安全性高（不存在爆炸的理论危险），使用寿命长、可以大电流充放电等优异性能。但是生产成本高、材料堆积密度小，不利于生产控制。另外锂离子电池需要多重保护机制：由于错误使用会减少寿命，甚至可能导致爆炸，所以，锂离子电池设计时增加了多种保护机制。如保护电路：防止过充、过放、过载、过热。另外，国外有报道LiVO2亦能形成层状化合物，可作为正极电极材料。种类目前锂离子正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。右表为不同的正极材料对照：正极材料平均电压能量密度LiCoO23.7V140mAh/gLiMn2O44.0V100mAh/gLiFePO43.3V170mAh/gLiNiO23.6V190mAh/g锂离子电池正极材料从目前国内外对正极材料的研究可看出，其电容量以每年30～50mAh/g的速度在增长，发展趋向于微结构尺度越来越小，而电容量越来越大的嵌锂化合物，原材料尺度向纳米级挺进，关于嵌锂化合物结构的理论研究已取得一定进展，但其发展理论还在不断变化中。困扰这一领域的锂电池电容量提高和循环容量衰减的问题，已有研究者提出添加其它组分来克服的方法。锂离子电池正极材料锂离子电池负极材料(1)碳材料：石墨化碳材料、无定型碳材料。如石墨、软碳、中间相碳微球已在国内有开发和研究，硬碳、碳纳米管、巴基球C60等多种碳材料正在被研究中。(2)其它材料：氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金、纳米氧化物等。负极材料比容量（mAh/g）电位/V（Vs.Li/Li+）密度（g/cm3）循环性能安全性能成本MCMB（中间相碳微球）320～3600.2～0.082.20较好差高NGR（天然石墨）340～3800.2～0.082.25较好差低HC（硬碳）250～4501.5～01.8-2.1良较好较低修饰人造石墨320～3400.2～0.082.20好较好高Li4Ti5O12150～1751.553.47非常好好较高存在问题(1)电压滞后，即锂的嵌入反应在0～0.25V之间进行（相对于Li＋／Li）而脱嵌反应则在1V左右发生；(2)理论上还需进一步深化。这有赖于各种高纯度、结构规整的原料及碳材料的制备和更为有效的结构表征方法的建立。发展方向(1)更小的纳米尺度的嵌锂微结构。(2)制备高纯度和规整的微结构碳负极材料。锂离子电池负极材料锂离子电池电解质目前使用和研究的电解质包括液体电解质、全固态电解质和凝胶型聚合物电解质。溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸、锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂易带来易燃、易爆等安全性问题。锂离子电池用隔膜隔膜是液态锂离子二次电池的重要组成部分，在电池中起着防止正/负极短路，同时在充放电过程中提供离子运输电通道的作用，其性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。锂离子电池隔膜的材料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）单层微孔膜，以及由PP和PE复合的多层微孔膜。目前，多层隔膜的研究受到广泛关注，多层隔膜结合了PE和PP的优点。如PP／PE／PP3层隔膜，具有更好的力学性能，PE夹在2层PP之间可以起到熔断保险丝的作用，为电池提供了更好的安全保护。目前，世界上只有日本、美国等少数几个国家拥有锂离子电池聚合物隔膜的生产技术和相应的规模化产业。锂离子电池安全在锂离子电池安全性方面的考虑主要从电池材料的选择、电池电化学设计、电池结构设计、添加剂的应用、充电制度等方面来进行。1）隔膜的自动关断保护国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达到120℃的情况下，复合膜两侧的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。2）电解液方面的安全保护措施有机电解液体系安全方面的研究主要包括防止过充电、阻燃性电解液、电氧化聚合物保护等。3）电池盖复合结构和安全阀电池盖采用刻痕防爆结构或设安全阀，电池升温时，电池内部活化过程中所产生的部分气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度刻痕破裂、放气。或在电池的上盖上设计安全阀，当电池内部的压力达到一定值时，安全阀开启，放气。4）外接保护电路锂离子电池在使用时常外接保护电路,一方面防止过充、过放以避免循环寿命的缩短,另一方面也起到防止电池滥用、误用的作用。好的锂离子电池保护电路都具有温度保护和电流保护，当充放电电流、电池温度大于相应设定的保护值时,保护电路都将终止电池工作。5）各种环境滥用试验等对电池进行各项滥用试验，如外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。同时对电池进行温度冲击试验和振动、跌落、冲击等力学性能试验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。锂离子电池电性能序号项目性能占额定容量的百分比%1容量Ah31.52重量比能量Wh/Kg76.503体积比能量Wh/L140.874倍率6.67C放电性能29.5698.5%5高温55度充放电性能31.17103.9%6低温-20度放电性能19.0263.4%7低温-20度充放电性能26.0186.7%8倍率6.67C充电容量26.2687.5%锂离子电池工况循环在30%SOC-76%SOC区间内循环，电池充电最高电压为3.73V，电池最低放电电压为3.02V。满足整车的工况要求.锂离子电池安全性能性能试验内容:跌落过放电加热短路针刺挤压过充电通过单体电池的安全性能试验，单体30Ah磷酸铁锂电池在做安全试验过程中没有发生爆炸和着火现象。锂离子电池安全性能性能过放电性能:锂离子电池安全性能性能加热试验短路试验针刺试验挤压试验锂离子电池安全性能性能过充电试验过充电试验动力锂离子电池发展遇到的问题目前阻碍动力锂离子电池发展的瓶颈是：安全性能和汽车动力电池的管理系统。动力锂离子电池要得到很好的应用，技术上需要从材料、电池、管理系统、机械加工等多方面同时考虑。因此，需要上下游企业通力合作，以电池为核心，对材料、管理系统等提出要求，形成一个产业群，更有利于技术的进步和系统成本的降低。谢谢!