【文章內容簡介】 構的碳材料，鋰在石油焦中的最大理論化學嵌入量為 LiC12，電化學容量為186mAh/g。這主要是由于插鋰時，碳材料會發(fā)生體積膨脹，熱解碳材料中存在的結構缺陷阻礙了其體積的膨脹。焦炭材料的優(yōu)點是與電解液有較好的相容性，在焦炭作為負極的鋰離子電池中可以使用聚碳酸酯(PC)基電解液［11］。石墨為具有層狀結構的物質，鋰離子在其層間嵌入，形成鋰碳化合物，其一階化合物分子式為LiC6。石墨的理論容量為372mAh/g，但絕大多數的嵌鋰容量低于此理論容量。目前大部分商品化鋰離子電池中都使用石墨材料作為負極。影響石墨負極性能的因素有石墨晶體結構、石墨表面化學性質以及石墨顆粒的結構、形態(tài)和制備方式等。在石墨電極中存在鋰離子嵌入的有機溶劑發(fā)生反應，將導致石墨電極的剝落和電極性能的降低。許多研究者都認為PC易于在石墨化電極中發(fā)生共嵌入，而且PC的分解電勢小于相應的溶劑化嵌入鋰離子的還原電勢，這種二元嵌入化合物是不穩(wěn)定的，PC將在石墨層間分解產生丙烯。導致石墨電極的剝落，形成小的石墨顆粒，進而導致石墨電極可逆容量下降。因此，在PC基電解液中往往加入添加劑或共溶劑，以在石墨電極表面形成穩(wěn)定的SE膜和抑制PC共插對電極的破壞。一些能夠優(yōu)先于PC在碳負極上發(fā)生還原的有機溶劑如ES、PS、V C、CLEC和FEC等，能夠在PC共嵌入碳負極前形成SEI膜，從而能夠抑制PC的共嵌入。而EC在石墨電極上的還原產物(CH2OCO2Li)2是一種致密的、高效能的鈍化劑，它不僅能阻止溶劑分子共插對電極的破壞，而且還具有較好的導鋰性能。許多不能單獨作為碳負極溶劑(如PC、DEC)的電解液中加入EC共溶劑均能獲得較好的循環(huán)效率。因此EC基的烷基碳酸酯混合溶劑在石墨作為負極的鋰離子電池中獲得了廣泛的應用。改善石墨與有機電解液相容性的方法主要有:在石墨顆?；蚴る姌O上包覆一層低溫裂解碳的殼層，形成具有核殼0結構的復合碳負極；在石墨電極表面人工施加Li2COLiOH在電極表面形成無機固體電解質晶體膜［12］。隔膜是鋰離子電池重要的組成部分，其性能決定了電池的界面結構、內阻等，直 接影響電池的容量、循環(huán)性能等特性。性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。鋰離子電池隔膜的材料主要為多孔性聚烯烴，其制備方法主要有:濕法，即相分離法；干法，即拉伸致孔法。不管采用哪種方法，目的都希望增加隔膜的孔隙率和強 度。濕法是將液態(tài)的烴或一些小分子物質與聚烯烴樹脂混合，加熱熔融后，形成均勻的混合物，揮發(fā)溶劑，進行相分離，再壓制得到膜片；將膜片加熱至接近結晶熔點，保溫一定時間，用易揮發(fā)物質洗脫殘留的溶劑，加入無機增塑劑粉末使之形成薄膜，進一步用溶劑洗脫無機增塑劑，最后將其擠壓成片。這種方法制備的隔膜，可以通過在凝膠固化過程中控制溶液的組成和溶劑的揮發(fā)，改變其性能和結構。采用的原料一般是聚乙烯(PE)。濕法可以較好地控制孔徑及孔隙率，但是使用溶劑后，可能產生污染，也將提高成本。干法是將聚烯烴樹脂熔融，擠壓、吹制成結晶性高分子薄膜，經過結晶化熱處理、退火后，得到高度取向的多層結構，在高溫下進一步拉伸，將結晶界面進行剝離，形成多孔結構，可以增加隔膜的孔徑［13］。多孔結構與聚合物的結晶性、取向性有關。電池的性能取決于隔膜以及其他材料的整體性能，電池的設計要求不同，對隔膜的要求也不同。隔膜的主要性能包括透氣率、孔徑大小及分布、孔隙率、力學性能、熱性能及自動關閉機理和電導率等。透氣率是透氣膜重要的物化指標，由膜的孔徑分布、孔隙率等決定。孔隙率和孔徑的大小及分布與微孔膜的制備方法有關。目前，隔膜發(fā)展的趨勢是要有較高的孔隙率、較低的電阻、較高的抗撕裂強度、較好的抗酸堿能力和良好的彈性。第三章 鋰離子電池的工作原理鋰離子電池按殼體和電解質可分為:(1)液體鋁殼鋰離子電池；(2)液體鋼殼鋰離子電池；(3)液體軟包裝鋰離子電池；(4)膠體聚合物鋰離子電池；(5)固體聚合物鋰離子電池。如圖31，為聚合物鋰離子電池的結構圖。圖31 聚合物鋰離子電池的結構圖鋰離子電池，從物理形態(tài)上有方型、圓柱型、鈕扣型、卡片型、異型。圖32和圖33，分別為方型和圓柱型鋰離子電池的結構圖。圖32 方型鋰離子電池的結構圖圖33 圓柱型鋰離子電池的結構圖鋰離子電池的反應實質上為一個Li+濃差電池，圖34表示了它的工作原理。圖34 鋰離子電池的工作原理示意圖鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時，Li+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負極，保證負極的電荷平衡。放電時則相反，Li+從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)［14］。以石墨/鋰鈷氧電池為例，充電時正極LiCoO2中的鋰離子遷出，經過電解液，嵌入石墨的碳層間，在電池內形成鋰碳層間化合物；放電時，過程剛好相反，即鋰離子從石墨負極的層間遷出，經過電解液，進入正極LiCoO2中。電池的各電極反應和電池的反應分別為：負極：6C＋xLi+＋xe≒LixC6 正極：LiCoO2≒xLi+＋Li1XCoO2＋Xe 電池總反應：LiCoO2＋6C≒li1xCoO2＋LixC6在正常充放電的情況下，鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結構氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距變化，不破壞晶體結構，在充放電過程中，負極材料的化學結構基本不變。因此，從充放電反應的可逆性看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應［15］。第四章 現階段鋰離子電池的應用分析 鋰離子電池是一種新型的電池，在很多領域中得到了廣泛應用。下面將從七個方面簡述分析現階段鋰離子電池的主要應用。1. 移動電話的應用。隨著手機向輕、薄、短、小化的發(fā)展，對體積小而容量大的電池需要也就相應增強，這樣就可以省下大量的空間。要使手機最小型化，只有鋰離子電池是最好的電源。全球每年新生產的手機數量大約在6億部，需要的手機電池至少也要6億只，年銷售額就可以達到200多億元。因此，手機電池的市場不但是巨大的，而且既長期又穩(wěn)定，極具持久力和潛在力［16］。 2. 筆記本電腦的應用。由于筆記本電腦攜帶方便，便于工作，近幾年筆記本電腦需求量不斷增加。又由于筆記本電腦更新?lián)Q代非?？?，很多的筆記本電腦使用者每過一段時間都會更換最新的型號。一個筆記本電腦至少要配置一只鋰離子電池。隨著筆記本電腦需求量不斷的增加，鋰離子電池的需求量自然也會大幅增加。3. 電動自行車的應用。根據有關方面預測，我國人口總量將控制1617億之間，是美國人口的6倍，德國的20倍。，隨著中國經濟的發(fā)展，汽車的擁有量不斷增加。如果達到美國的經濟發(fā)展水平，那么中國的氣油消耗量將相當于目前中東地區(qū)產油量的2倍。顯然是不現實的，應當依靠其它方法來解決。因此，電動自行車是目前較為理想的選擇之一。因為電動自行車在行使時不會產生環(huán)境污染。我國的自行車擁有量相當大，號稱自行車王國。從居民平均收入水平和大眾需求來看，電動自行車更容易普及和推廣，電動自行車是助力自行車最好的替代品。但目前我國的電動自行車大部分還是采用的鉛酸電池作為動力，而電池的本身質量就有十幾公斤。如果采用鋰離子電池，電池的質量只有3公斤左右。所以，鋰離子電池代替電動自行車的鉛酸電池是必然趨勢，這樣電動自行車的輕快、便捷、安全、廉價將會受到越來越多人士的歡迎［17］。4. 電動汽車的應用。對我國而言，汽車污染日益嚴重，尾氣、噪音等對環(huán)境的破壞到了必須加以控制和治理的程度，特別是在一些人口稠密、交通擁擠的大中城市情況變得更加嚴重。發(fā)展新一代電動汽車和混合電動汽車作為無污染、少污染、能源多樣化配置的新型交通工具將成為必然趨勢。5. 在航空航天方面的應用。由于鋰離子電池具有很強的優(yōu)勢，因此目前已經用于火星著陸器和火星漫游器。在今后的系列探測任務也將采用鋰離子電池。除了美國航空航天局的星際探索外，其它航天組織也在考慮將鋰離子電池應用于航天任務中。目前鋰離子電池在航空領域的主要作用是為發(fā)射和飛行中的校正、地面操作提供支持；同時有利于提高一次電池的功效并支持夜間作業(yè)［18］。6. 在軍事方面的應用。對于軍隊而言，目前鋰離子電池除了用于軍事通信外，還用于尖端武器，如魚雷、潛艇、導彈等；由于鋰離子電池具有非常好的性能，能量密度高，質量輕，可促進武器的靈活性。7. 其它方面的應用。小到從電子表手表、CD唱機、移動電話、MPMP照相機、攝影機、各種遙控器、剔須刀、手槍鉆、兒童玩具等，大到從醫(yī)院、賓館、超市、電話交換機等場合的應急電源、電動工具，都有鋰離子電池的應用。鋰離子電池作為一種新型的高能蓄電池,它的研究和開發(fā)已取得重大進步。但由于鋰離子電池涉及化學、物理、材料、電子學等多學科的交叉領域,研制中還存在許多問題。尤其是在材料和工藝的選配及設備選型上,還存在高成本、高風險等不利于市場競爭的因素。目前, 起步較早的單位已經完成實驗室階段研究, 開始向中試和小批量生產過渡。起步較晚的單位還處于實驗階段,國內有些經濟實力雄厚的公司, 引進價格昂貴的設備進行鋰離子電池的研究和開發(fā)。由于引進設備對槳料和基片(鋁箔和銅箔)的要求很嚴格,所以需要與國產漿料和基片進行較長時間的磨合。這樣,大量外匯、資金的投入和長期的磨合、試制,無疑會增大鋰離子電池在研究和未來市場競爭中的風險［1