鋰電池的原理與使用

自從1958年美國加州大學的一位研究生提出了鋰、鈉等活潑金屬做電池負極的設想后，人類開始了對鋰離子電池的研究。而從1971年日本松下公司的福田雅太郎發明鋰氟化碳電池并使鋰離子電池實現使用化商品化開始，鋰離子電池便以其比能量高,電池電壓高，工作溫度范圍寬，儲存壽命長等優勢，廣泛使用于軍事和民用小型電器中，如移動電話、筆記本電腦、攝像機、照相機等。

一、鋰電池的結構與工作原理

所謂鋰電池實際上是一種鋰離子濃度差電池，正負兩極由兩種鋰離子嵌入化合物組成。充電時，鋰離子從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態，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，鋰離子從負極脫嵌，經電解質嵌入正極（這種循環被形象的稱為搖椅式機制）。在正常的充放電情況下，鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結構氧化物層間嵌入嵌出，因為過渡金屬氧化物LiCoO2、LiNiO2中低自旋配合物多，晶格體積小，在鋰離子嵌入脫嵌時，晶格膨脹收縮性小，結晶結構穩定，因此循環性能好，而且充放電過程中，負極材料化學結構基本不變，因此從充放電反應的可逆性看鋰電池反應是一種理想的可逆過程。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電工作的，神奇機理的鋰電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。

◎當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入，放電時反之。這就需要一個電極在組裝前處于嵌鋰狀態，一般選擇相對鋰而言電位大于3V且在空氣中穩定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。

◎作為負極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物包括SnO、SnO2、錫復合氧化物SnBxpyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。

◎電解質采用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劑體系。

◎隔膜采用聚烯微多孔膜如pE、pp或它們復合膜，尤其是pp/pE/pp三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。

◎外殼采用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電的功能。

二、鋰電池的種類

依據鋰電池所用電解質材料不同，鋰電池可以分為液態鋰電池(lithiumionbattery,簡稱為LIB)和聚合物鋰電池(polymerlithiumionbattery,簡稱為LIp)兩大類。

液態鋰電池和聚合物鋰電池所用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用LiCoO2，負極使用各種碳材料如石墨，同時使用鋁、銅作集流體。它們的主要區別在于電解質的不同,鋰電池使用的是液體電解質,而聚合物鋰電池則以聚合物電解質來代替,這種聚合物可以是“干態”的,也可以是“膠態”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質。

由于聚合物鋰電池使用了膠體電解質不會像液體電解液泄露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄。也不會萌生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個電池的比容量；聚合物鋰電池還可以采用高分子作正極材料，其質量比能量將會比目前的液態鋰電池提高50%以上。此外,聚合物鋰電池在工作電壓、充放電循環壽命等方面都比液態鋰電池有所提高。基于以上優勢，聚合物鋰電池被譽為下一代鋰電池。

三、鋰電池的使用及前景

知道了鋰電池的原理之后，下面我們來看一下鋰電池的使用：

鋰電池的一個使用方向是電動車。進入20世紀80年代，由于工業的發展，汽車產量劇增，大氣污染成分的63%來自燃油汽車，為了根治汽車尾氣對環境造成的污染，電動車及電動車電池的開發研究成為國內外汽車行業發展的新熱點，而目前電動車商品化的難題主要是電池性能滿足不了要求，而且價格高，體積大，質量大，而鋰電池由于具有比能量高，自放電小，循環壽命長，無記憶效響應對環境污染小等優勢，成為實現中期目標的電動車動力電池之一，1997年7月，美國實驗的NissanAltraEV配備了songLA4LB（94Ah,28.8V，90WHkg-1，30㎏）鋰電池，并于1998年推向加州市場，1997年10月，法國推出了歐洲第一輛使用鋰電池的電動車peugeot106EV。目前，在鋰離子動力電池研究方面領先的廠商有日本Song、德國Varta和法國Saft，而將來，具更高能量的聚合物鋰電池（pLIB）將成為遠期目標的電動車用鋰電池。

而鋰電池的主要使用范疇為便攜電子產品，如手機、筆記本電腦。目前，移動電話和筆記本電腦兩個范疇的液態鋰電池（LIB）用量已占全世界鋰電池市場的90%，1999年，全世界的移動電話有42%使用LIB電池，筆記本電腦有67%使用LIB電池，據估算，到2010年，移動電話和筆記本電腦所用的電池中LIB電池和pLIB電池將會占有71%的市場。中國1999年底，已有移動電話用戶4600萬人，占全國人口的4%，手機擁有量名列世界第三位，到2001年，中國擁有手機的數量已占全國人口的10%，而發達國家移動電話用戶已達30%，可見，中國具有巨大的鋰電池潛在市場，2001年，全球鋰離子電池用量已達6.65億只，其中，諾基亞、摩托羅拉、愛立信三大廠商共銷售鋰離子電池2.1億只，日本鋰離子電池產值，目前仍占全球的90%以上，日本三洋、松下、索尼是世界前三名的加工廠家，可以說，隨著手機和筆記本電腦的普及，鋰電池已經與我們實現了零距離，而我們越來越關心的是要怎么樣判斷電池性能的好壞，及要怎么樣去保養電池，下面簡單談一下這兩個問題：

電池性能一般通過以下幾個方面來評價：

（1）容量：容量是指在一定放電條件下，可以從電池獲得的電量，即電流對時間的積分，一般用mAh或Ah來表示，它筆直影響電池的最大工作電流和工作時間。

（2）放電特性和內阻：放電特性是指電池在一定的放電制度下，其工作電壓的平穩性，電壓平臺的高低以及電流放電性能等，它聲明電池帶負載能力。

（3）貯存性能：貯存一段時間后，電池會因某些因素的影響使性能發生變化，導致電池自放電，電解液泄漏，電池短路等。

（4）循環壽命：指電池按照一定的制度進行充放電，性能衰減到某一程度時的循環次數。

（5）內壓和耐過充電性能：如果電池內部壓力達不到平衡或平衡壓力過高，就會使限位裝置開啟而引起電池泄氣或漏液，從而導致電池失效，如果限壓裝置失敗，則有可能引起電池殼體開裂或爆炸。

國際上規定了非常嚴格的標準，一只合格的鋰電池在安全性能上應滿足以下條件：

（1）短路：不起火，不爆炸

（2）過充電：不起火、不爆炸

（3）熱箱實驗：不起火，不爆炸（150℃恒溫10min）

（4）針刺：不爆炸（用Ф3㎜針穿透電池）

（5）平板沖擊：不起火，不爆炸（10㎏重物自1m高處砸向電池）

（6）焚燒：不爆炸（煤氣火焰燒烤電池）

綜上所述，鋰電池自上世紀初產業化以來，一直處于快速發展的趨勢之中。目前鋰電池已被廣泛使用于移動通訊、筆記本電腦、數碼相機等便攜式產品，同時其作為動力電池的基本條件已經具備，正在向電動自行車、摩托車及汽車等方向發展。可見，鋰電池的將來方向和容量均較為廣闊，依據新材料在線的預測，全球鋰離子電池的需求將保持年均10%左右的增長速度，我國的鋰電池需求量也將保持快速增長趨勢。因此對于眾多鋰電池生廠家來說，進一步改善其設計及提高其性能，盡早設計出安全實用、質量優異的產品，就能更早的在市場中占據領先地位，搶占商機。

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