锂离子电池简介
锂系电池分为锂电池和锂离子电池 。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池 。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极,是现代高性能电池的代表 。而真正的锂电池由于危险性大,很少应用于日常电子产品 。
锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功 。它是把锂离子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成负极(传统锂电池用锂或锂合金作负极) 。正极材料常用LixCoO2 ,也用 LixNiO2,和LixMnO4 ,电解液用LiPF6 二乙烯碳酸酯(EC) 二甲基碳酸酯(DMC) 。
石油焦炭和石墨作负极材料无毒 , 且资源充足,锂离子嵌入碳中,克服了锂的高活性,解决了传统锂电池存在的安全问题 , 正极LixCoO2在充、放电性能和寿命上均能达到较高水平,使成本降低,总之锂离子电池的综合性能提高了 。预计21世纪锂离子电池将会占有很大的市场 。
锂离子二次电池充、放电时的反应式为LiCoO2 C=Li1-xCoO2 LixC
锂离子电池区别
【锂离子电池 锂离子电池的优缺点】锂离子电池容易与下面两种电池混淆:
(1)锂电池:以金属锂为负极 。
(2)锂离子电池:使用非水液态有机电解质 。
(3)锂离子聚合物电池:用聚合物来凝胶化液态有机溶剂 , 或者直接用全固态电解质 。锂离子电池一般以石墨类碳材料为负极 。
锂离子电池发展过程
1970年,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 。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 。锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来 。举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池 。这种电池也可以充电,但循环性能不好 , 在充放电循环过程中容易形成锂结晶,造成电池内部短路 , 所以一般情况下这种电池是禁止充电的 。
1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)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,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 。
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 。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量高,可充且无污染,具备当前电池工业发展的三大特点,因此在发达国家中有较快的增长 。电信、信息市场的发展,特别是移动电话和笔记本电脑的大量使用,给锂离子电池带来了市场机遇 。而锂离子电池中的聚合物锂离子电池以其在安全性的独特优势,将逐步取代液体电解质锂离子电池,而成为锂离子电池的主流 。聚合物锂离子电池被誉为 “21世纪的电池”,将开辟蓄电池的新时代,发展前景十分乐观 。
2015年3月,日本夏普与京都大学的田中功教授联手成功研发出了使用寿命可达70年之久的锂离子电池 。此次试制出的长寿锂离子电池,体积为8立方厘米,充放电次数可达2.5万次 。并且夏普方面表示,此长寿锂离子电池实际充放电1万次之后,其性能依旧稳定 。
锂离子电池组成部分
钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列:
(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 。导电极流体使用厚度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 。