【正文】 鋰離子電池知識(shí) 魏日兵 摘要 1 鋰離子二次電池的概況 2 鋰離子電池的原理和特性 3 鋰離子電池的應(yīng)用與發(fā)展前景 4 鋰離子電池材料 1 鋰離子二次電池的概況 鋰 是金屬中最輕的元素，且標(biāo)準(zhǔn)電極電位為 V，是金屬元素中電位最負(fù)的一個(gè)元素。且鋰離子可以在 TiS2和MoS2等嵌入化合物中嵌入或脫嵌。 鋰離子電池 ：分別用二個(gè)能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來(lái)完成電池充放電工作的獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。 電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高比能量的移動(dòng)電源需求量加劇。鋰離子電池是一種理想的可移動(dòng)電源，具有體積小，重量輕，放電電壓高，比能量大等優(yōu)點(diǎn)。自從 1990年SONY公司推出世界上第一只鋰離子電池，到 2022年為止，整個(gè)市場(chǎng)每年約 4億只該類電池用于純消費(fèi)類電子產(chǎn)品。便攜式攝像機(jī)、移動(dòng)電話、手提電腦等 95％以上使用鋰離子二次電池作為主要電源。 1 鋰離子二次電池的概況 1 鋰離子二次電池的概況 鋰離子電池的歷史 1 鋰離子二次電池的概況 鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn) 高能量密度 ： 100 Wh/Kg以上，為鎳鎘電池的三倍，鎳氫電池的兩倍； 電壓平臺(tái)高 ： V，鎳基電池為 V； 低溫下工作優(yōu) ：在 20～ 60℃ 的溫度范圍內(nèi)工作，低溫下的工作優(yōu)于其它電池 ； 低維護(hù)性 ：沒有記憶效應(yīng)，無(wú)需定期放電，最理想的保存方式，就是在40%充電后冷藏保存，可以保存達(dá)十年之久 ； 低自放電率 ：約 6％ /月； 長(zhǎng)循環(huán)壽命 (＞ 1000次， 100％ DOD)； 環(huán)保 ：無(wú)重金屬，無(wú)污染。 1 鋰離子二次電池的概況 鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn) 鎘鎳、氫鎳、鋰離子蓄電池性能對(duì)比 1 鋰離子二次電池的概況 鋰離子電池的缺點(diǎn) 安全性能問(wèn)題 ：需復(fù)雜的保護(hù)線路； 放電倍率低 ： 1 C ~ 2 C； 易于老化 ：存儲(chǔ)的鋰離子電池照樣會(huì)容量衰竭； 價(jià)格昂貴 。 一般認(rèn)為，鋰離子電池起火爆炸是由于其 內(nèi)部化學(xué)原理 和 成 分導(dǎo)致的。由于人們想在單位密度中儲(chǔ)存更多的能量，這就導(dǎo)致了鋰離子電池中碳、氧和易燃液體的含量不斷增加。與此同時(shí)除了正極、負(fù)極以及隔離膜之外，鋰離子電池內(nèi)部還充滿了一種非常易燃的液體 — 鋰鹽類電解質(zhì)。電池充電時(shí)，負(fù)極的鋰離子向正極移動(dòng)，電池在使用過(guò)程中，鋰離子又回到負(fù)極以提供能量。在充完電的狀態(tài)下，失去大部分離子的負(fù)極非常不穩(wěn)定。這個(gè)溫度足以使負(fù)極分解和釋放氧。隨著熱量積蓄，電池將會(huì)進(jìn)入“熱失控”狀態(tài)。此時(shí)電池內(nèi)部的溫度將會(huì)極快地升高，最后到達(dá)電解液的燃點(diǎn)而起火爆炸。在最近導(dǎo)致眾多大廠筆記本電腦過(guò)熱和起火的 SONY鋰電池中，正是因?yàn)樵陔姵刂圃爝^(guò)程中混入了過(guò)多的金屬顆粒，容易在電池使用過(guò)程中發(fā)生短路、產(chǎn)生火花。才導(dǎo)致了這些鋰離子電池的不穩(wěn)定。 1 鋰離子二次電池的概況 鋰離子電池的種類 根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為 液態(tài)鋰離子電池 (lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為 LIB) 聚合物鋰離子電池 (polymer lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IP) 相同點(diǎn) ：液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用 LiCoO2，負(fù)極使用各種碳材料如石墨，同時(shí)使用鋁、銅做集流體。 區(qū)別 ：主要區(qū)別在于 電解質(zhì) 的不同 , 鋰離子電池使用的是 液體電解質(zhì) , 而聚合物鋰離子電池則以 聚合物電解質(zhì) 來(lái)代替 , 這種聚合物可以是“干態(tài)”的 ,也可以是“膠態(tài)”的 ,目前大部分采用 聚合物膠體電解質(zhì) 。 1 鋰離子二次電池的概況 鋰離子電池的種類 電解質(zhì) 殼體 /包裝 隔膜 集流體 液態(tài)鋰離子電池 液態(tài) 不銹鋼、鋁 25μPE 銅箔（負(fù)極）和鋁箔（正極） 聚合物鋰離子電池 膠體聚合物 鋁 /PP復(fù)合膜 沒有隔膜或個(gè)μPE 銅箔（負(fù)極）和鋁箔（正極） 1 鋰離子二次電池的概況 鋰離子電池的種類 由于聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質(zhì)不會(huì)象液體電液泄露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄。也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問(wèn)題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個(gè)電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰離子電池提高 50％以上。此外 ,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池有所提高?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)為下一代鋰離子電池。 1 鋰離子二次電池的概況 鋰離子電池的種類 按 形狀 分類：圓柱形、方形和扣式 (或錢幣形 )； 按 正極材料 分類：氧化鈷鋰型、氧化鎳鋰型和氧化錳鋰型 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的工作原理 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的工作原理 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的工作原理 2 鋰離子電池的原理和特性 以 LiCoO2體系的鋰離子二次電池為例說(shuō)明其工作原理。一般，鋰離子二次電池是由 正極 、 電解液 、 隔膜 以及 負(fù)極 構(gòu)成。充電時(shí)，正極中的鋰離子從 LiCoO2層狀結(jié)構(gòu)中脫出， Co元素的化合價(jià)由＋ Ⅲ 升高到＋ Ⅳ ，正極材料發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)鋰離子經(jīng)過(guò)電解液遷移到電池的負(fù)極，在負(fù)極碳材料的層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)和碳化合生成 LiCX。電池在接上負(fù)載時(shí)，則兩電極上所發(fā)生的反應(yīng)分別為充電時(shí)發(fā)生反應(yīng)的逆反應(yīng)。隔膜位于正負(fù)反應(yīng)電極之間，隔膜可以透過(guò)離子，但卻不允許電子透過(guò)，同時(shí)當(dāng)電池正負(fù)極發(fā)生一定程度的微短路時(shí)，隔膜還起到阻斷保護(hù)作用。 鋰離子電池的工作原理 2 鋰離子電池的原理和特性 電 極 反 應(yīng) 鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池的額定電壓為 。電池充滿時(shí)的電壓（稱為終止充電電壓）一般為 ；鋰離子電池終止放電電壓為 。如果鋰離子電池在使用過(guò)程中電壓已降到 還繼續(xù)使用，則稱為過(guò)放電，對(duì)電池有損害。 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池比較驕貴。如果不滿足其充電及使用要求，很容易出現(xiàn)爆炸，壽命下降等現(xiàn)象。因?yàn)殇囯x子電池對(duì)溫度、過(guò)壓、過(guò)流及過(guò)放電很敏感，所以所有的電池內(nèi)部均集成了熱敏電阻（監(jiān)控充電溫度）及防過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)放電保護(hù)電路。 鋰離子電池的工作原理 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的充電原理 Iconst：恒流充電電流； Ipre：預(yù)充電電流； Ifull：充滿判斷電流； Vconst：恒壓充電電壓； Vmin：預(yù)充結(jié)束電壓及短路判斷電壓 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的充電過(guò)程分 ： 預(yù)充電階段 ； 恒流充電階段 恒壓充電階段 。 1C 鋰離子電池的充電原理 2 鋰離子電池的原理和特性 預(yù)充電階段 預(yù)充電階段是在電池電壓低于 3V時(shí)，電池不能承受大電流的充電。這時(shí)有必要以小電流對(duì)電池進(jìn)行浮充。 鋰離子電池的充電原理 2 鋰離子電池的原理和特性 恒流充電階段 當(dāng)電池電壓達(dá)到 3V時(shí)，電池可以承受大電流的充電了。這時(shí)應(yīng)以恒定的大電流充電。以使鋰離子快速均勻轉(zhuǎn)移，這個(gè)電流值越大，對(duì)電池的充滿及壽命越有利。 鋰離子電池的充電原理 2 鋰離子電池的原理和特性 恒壓充電階段 當(dāng)電池電壓達(dá)到 ，達(dá)到了電池承受電壓的極限。這時(shí)應(yīng)以。這時(shí)充電電流逐漸降低。當(dāng)充電電流小于30mA時(shí)，電池即充滿了。這時(shí)要停止充電。否則，電池因過(guò)充而降低壽命。恒壓充電階段要求電壓控制精度為 1%。依國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鋰離子電池要能在 1C的充電電流下，可以循環(huán)充放電 500次以上。依一般的電池使用三天一充。這樣電池的壽命應(yīng)在 4年。 鋰離子電池的充電原理 2 鋰離子電池的原理和特性 恒壓式充電原理圖 當(dāng)沒電的電池插在這種充電器上時(shí)，充電器即以最大的電流為電池充電。如果在鋰離子電池最虛弱的低壓時(shí)（低于 ）就以大電流沖擊，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命。 另外，這類的充電器均為直接市電 220V接入，轉(zhuǎn)換為 5V的低壓直流。因?yàn)檗D(zhuǎn)換效率低下，會(huì)產(chǎn)生大量的熱。熱量直接疊加在了電池上，使電池溫度過(guò)高，這對(duì)電池有很大損害。 鋰離子電池的充電原理 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的充電方法 標(biāo)準(zhǔn)充電 ：在環(huán)境溫度 20177。 5 ℃ 的條件下，以 恒流充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓 時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于 10mA ，停止充電。 快速充電 ：在環(huán)境溫度 20177。 5 ℃ 的條件下，以 1C5A 恒流充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓 時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于 10mA ，停止充電。 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的充電方法 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的放電特性 在較高放電率下 ( C以上 )，雖然放電電壓有所下降，但截止到 壓時(shí)的放電容量卻降低很少。 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的高溫性能 電池充電結(jié)束后，將電池放入 60177。 2 ℃ 的高溫箱中恒溫 2h ，然后以 1C5A 電流恒流放電至 。放電時(shí)間不小于 54 分鐘。后將電池取出在環(huán)境溫度 20177。 5 ℃ 的條件下擱置 2h, 電池外觀無(wú)變形、無(wú)爆裂。 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的低溫特性 電池充電結(jié)束后，將電池放入 10177。 2 ℃ 的低溫箱中恒溫 2h 后，以 電流恒流放電至終止電壓 。放電時(shí)間不小于 。后將電池取出在環(huán)境溫度 20177。 5 ℃ 的條件下擱置 2h ，電池外觀無(wú)變形、無(wú)爆裂。 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的溫度特性 放電平臺(tái)電壓有明顯下降，但放電容量相差不大。 2 鋰離子電池的原理和特性 鋰離子電池的循環(huán)壽命 在環(huán)境溫度 20177。 5 ℃ 的條件下，以 1C5A 恒流充電，