化学电源先锋——锂离子电池
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:478
摘要：介绍锂离子电池的工作原理、性能参数及特性、安全性能，同时对聚合物锂离子电池、塑料电池也做了介绍。锂离子电池的优越性能使之在便携电子应用领域中必将替代其它二次电池。锂离子电池的发展方向是小型化、薄型化、大容量，聚合物锂离子电池、塑料锂离子电池很好地适应了这一发展需求。 关键词：锂离子电池 安全性 自1859年gastonplante提出铅酸蓄电池概念以来，化学电源界一直在探索新的高比能量、循环寿命长的二次电池。1990年日本sony公司率先研制成功并实现商品化的锂离子电池是在锂电池基础上发展起来的。锂离子电池是以嵌锂化合物作为正负极材料，具有高电压、大容量、自放电小及绿色环保优点，基本解决了困扰锂电池的安全性差和充放电寿命短的问题。 伴随着向多媒体时代的迈进，笔记本电脑、移动无绳电话、摄像机等便携电子产品的普及，使对锂离子电池的需求日益增加，1999年锂离子电池全球需求量为402亿只，预计到2004年将达到7.6亿只，平均每年将增长15％。锂离子电池的显著特点使其在其他领域如电动汽车、空间技术、国防工业等方面展示了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益。 1 工作原理 所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。如图1所示，当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3v且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如licoo2、linio2、limn2o4。做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括sno、sno2、锡复合氧化物snbxpyoz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。由于用锂离子在负极中的嵌入和脱嵌反应取代金属锂在电极上的沉积和溶解反应，避免了在电极表面锂的枝状晶化问题，使得锂离子电池循环寿命和安全性能远优于锂电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。 已商品化的锂离子电池，以圆柱形为例，结构如图2所示。采用licoo2/c系列，licoo2容量一般限制在125mah/g左右，且价格高，占锂离子电池成本的40％；嵌锂石墨属离子型石墨层间化合物，其一阶化合物分子式为lic6，理论比能量为372mah/g。电解质采用lipf6的乙烯碳酸脂（ec）、丙烯碳酸脂（pc）和低粘度二乙基碳酸脂（dec）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。隔膜采用聚烯微多孔膜如pe、pp或它们复合膜，尤其是pp/pe/pp三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。 组装后电池需进行化成才具有电能，实验证实锂第一次向碳中插入时将在碳电极表面形成固相电解液界面膜（sei），sei膜一方面保证了lixc6稳定存在免受氧化，另一方面可以允许锂离子自由地进出。sei膜质量对于电池性能影响很大，化成一般采用0.2c慢充电。 锂离子电池的循环寿命在很大程度上依赖于电极活性材料在充放电过程中结构的完整性。为防止正负极材料结构发生较大改变常采用保护线路来防止锂离子电池过充、过放，一般充电电压控制在4.1v，放电终止电压控制在2.5v以上。 2 锂离子电池电性能参数及特性 2.1 电性能参数 锂离子电池电性能参数包括以下几个方面： （1）额定电压：商品化锂离子电池额定电压一般为36v，工作时电压范围为4.1v～2.5v之间，也有下限终止电压设定为其他值，如3.1v等。 （2）
摘要：介绍锂离子电池的工作原理、性能参数及特性、安全性能，同时对聚合物锂离子电池、塑料电池也做了介绍。锂离子电池的优越性能使之在便携电子应用领域中必将替代其它二次电池。锂离子电池的发展方向是小型化、薄型化、大容量，聚合物锂离子电池、塑料锂离子电池很好地适应了这一发展需求。 关键词：锂离子电池 安全性 自1859年gastonplante提出铅酸蓄电池概念以来，化学电源界一直在探索新的高比能量、循环寿命长的二次电池。1990年日本sony公司率先研制成功并实现商品化的锂离子电池是在锂电池基础上发展起来的。锂离子电池是以嵌锂化合物作为正负极材料，具有高电压、大容量、自放电小及绿色环保优点，基本解决了困扰锂电池的安全性差和充放电寿命短的问题。 伴随着向多媒体时代的迈进，笔记本电脑、移动无绳电话、摄像机等便携电子产品的普及，使对锂离子电池的需求日益增加，1999年锂离子电池全球需求量为402亿只，预计到2004年将达到7.6亿只，平均每年将增长15％。锂离子电池的显著特点使其在其他领域如电动汽车、空间技术、国防工业等方面展示了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益。 1 工作原理 所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。如图1所示，当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3v且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如licoo2、linio2、limn2o4。做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括sno、sno2、锡复合氧化物snbxpyoz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。由于用锂离子在负极中的嵌入和脱嵌反应取代金属锂在电极上的沉积和溶解反应，避免了在电极表面锂的枝状晶化问题，使得锂离子电池循环寿命和安全性能远优于锂电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。 已商品化的锂离子电池，以圆柱形为例，结构如图2所示。采用licoo2/c系列，licoo2容量一般限制在125mah/g左右，且价格高，占锂离子电池成本的40％；嵌锂石墨属离子型石墨层间化合物，其一阶化合物分子式为lic6，理论比能量为372mah/g。电解质采用lipf6的乙烯碳酸脂（ec）、丙烯碳酸脂（pc）和低粘度二乙基碳酸脂（dec）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。隔膜采用聚烯微多孔膜如pe、pp或它们复合膜，尤其是pp/pe/pp三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。 组装后电池需进行化成才具有电能，实验证实锂第一次向碳中插入时将在碳电极表面形成固相电解液界面膜（sei），sei膜一方面保证了lixc6稳定存在免受氧化，另一方面可以允许锂离子自由地进出。sei膜质量对于电池性能影响很大，化成一般采用0.2c慢充电。 锂离子电池的循环寿命在很大程度上依赖于电极活性材料在充放电过程中结构的完整性。为防止正负极材料结构发生较大改变常采用保护线路来防止锂离子电池过充、过放，一般充电电压控制在4.1v，放电终止电压控制在2.5v以上。 2 锂离子电池电性能参数及特性 2.1 电性能参数 锂离子电池电性能参数包括以下几个方面： （1）额定电压：商品化锂离子电池额定电压一般为36v，工作时电压范围为4.1v～2.5v之间，也有下限终止电压设定为其他值，如3.1v等。 （2）
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