锂离子电池

本文主要介绍了锂离子电池的发展历程、工作原理、优缺点、发展前景及经济效益锂离子电池锂离子电池概述：锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。发展过程：1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。1982年伊利诺伊理工大学(theIllinoisInstituteofTechnology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。1992年日本索尼公司发明了以炭材料为负极，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。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性，尤其耐高温，耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。纵观电池发展的历史，可以看出当前世界电池工业发展的三个特点，一是绿色环保电池迅猛发展，包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；二是一次电池向蓄电池转化，这符合可持续发展战略；三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。工作原理：锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。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。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。离子电池原理图一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。使用（放电）注意事项对电池来说，正常使用就是放电的过程。锂电池放电需要注意几点：第一，放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害。在手机上，这个倒是没有问题的，可以不考虑。从右图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。第二，绝对不能过放电！锂电池内部存储电能是靠电化学一种可逆的化学变化实现的，过度的放电会导致这种化学变化有不可逆的反应发生。组成部分：（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。（2）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。（3）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。（4）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。（5）电池外壳——分为钢壳（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。主要种类：根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池(LiquifiedLithium-IonBattery，简称为LIB)和聚合物锂离子电池(PolymerLithium-IonBattery，简称为PLB)。锂离子电池充电分为两个阶段：先恒流充电，到接近终止电压时改为恒压充电。化学解析：和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。正极衡量锂离子电池正极材料的好坏，大致可以从以下几个方面进行评估：正极材料应有较高的氧化还原电位，从而使电池有较高的输出电压锂离子能够在正极材料中大量、可逆地嵌入和脱嵌，以使电池有较高的比容量在锂离子嵌入/脱嵌过程中，正极材料的结构应尽可能不发生变化，以保证电池良好的循环性能在锂离子的嵌入/脱嵌过程中，正极的氧化还原电位变化应尽可能小，使电池能够平稳地充放电在锂离子的嵌入/脱嵌过程中，正极的氧化还原电位变化应尽可能小，使电池能够平稳地充放电正极材料应有较高的电导率和锂离子扩散系数，便于电池快速充放电正极材料不与电解质等发生附反应价格便宜，对环境无污染不同的正极材料对照：正极材料平均输出电压能量密度LiCoO?3.7V140mAh/gLi2MnO33.7V100mAh/gLiFePO43.2V130mAh/gLi2FePO?F3.6V115mAh/g正极反应（主流产品多采用锂铁磷酸盐）：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO?→Li1-xFePO?+xLi+xe放电时：Li1-xFePO?+xLi+xe→LiFePO?负极负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。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优点1）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-MH电池的3倍。2）比能量大能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。3）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。对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。4）安全性能好无公害，无记忆效应.5）自放电小6)快速充电1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。7)工作温度工作温度为-25~45°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。缺点.衰老与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。储存温度与容量永久损失速度的关系：充电电量储存温度0℃储存温度25℃储存温度40℃储存温度60℃40%～60%2%/年4%/年15%/年25%/年100%6%/年20%/年35%/年80%/6月回收率大约有1%的出厂新品因种种原因需要回收。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。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。保护电路防止过充、过放、过载、过热。排气孔因其具有防爆炸功能，电池界业内人士也称为防爆孔或防爆线。原理十分简单，在壳体表面划出一条比壳体表面厚度稍微薄一点的线或孔，当电芯短路时，电池内部短时间内将产生大量气体并迅速增大压强，当压力过载时，因防爆孔薄于壳体其余地方，气体便防爆孔处泄气，从而达到避免电芯整体爆炸的危险。[10]隔膜隔离电芯正、负极片，以防止卷芯内部正、负极片直接接触造成短路；从微观角度看，隔膜表面为网状结构，通常有PP、PE之分，也有PE、PP复合在一起的。区分隔膜通常按厚度、宽度进行划分，铝壳锂离子电池使用的隔膜厚度通常为16um、18um、20um等，动力电池使用的隔膜厚度以30um以上为主流。若按形状区分则有卷状、条状之分。卷状隔膜就是将裁剪好宽度的隔膜卷在一个纸筒上，供客户自行裁剪隔膜单条长度（形状与透明胶相似）。条状隔膜则由供应商按客户提供的长、宽、厚等参数，直接裁剪好成条状的隔膜。卷状隔膜的优点在于通用性强，但需增加人力进行裁剪，条状隔膜优点在于无需人力裁剪即可使用，但是通用性不强。隔膜在电池内部温度过高时还能融化，以防止电池爆炸。当电池内部温度达到130℃（锂离子电池国家标准gb18287-2000）以上时，隔膜的网状孔将闭合，阻止锂离子通过升高内阻(至2kΩ)，以达到阻止电芯内部温度继续升高的作用，从而保护电芯产生爆炸的危险。排气孔、隔膜一旦激活，电池将永久失效。新发展：聚合物类聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。很多企业都在开发这种新型电池。动力类动力锂离子电池：严格来说，动力锂离子电池是指容量在3AH以上的锂离子电池，泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池，由于使用对象的不同，电池的容量可能达不到单位AH的级别。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。根据内部材料的不同，动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种，统称为动力锂离子电池。高性类为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。为此，改用一种新的合成方法。他们用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料。这种方法在纳米尺度材料上一举创建了储电单元和导电电路。[11]这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，成本较低，而其高性能可以保持很长时间。领导这项研究的马克西米利安·菲希特纳博士说，如果能够充分开发这种新材料的潜力，将来可以使锂离子电池的储电密度提高5倍。[11]发展前景：锂电池广泛用于电子产品领域，高端智能手机、笔记本电脑、平板电脑、电纸书等便携式消费类电子产品市场需求仍保持着持续快速增长的势头。近年动力类锂电池在国内外也都迅速发展，新能源汽车、各种小型电子设备、移动式电动工具、电动自行车等，在低炭经济大环境下，发展前景更加广阔。随着电动自行车、电动汽车、储能电站等新兴产业锂离子电池的需求发展，应用空间将不断扩大。目前，全球电池市场总量约为2000亿元，其中二次电池市场约占总量的63%，并处于快速增长期。锂离子电池目前主要应用于手机、笔记本电脑等便携式电子产品领域。随着便携式电子产品市场的持续增长及锂离子电池电动工具与电动汽车市场的启动，整个锂