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锂电池的原理与应用 栗宇深 汤敏贤 刘炤元 黄庆泉 摘 要：锂电池已广泛用于各种电子产品中，在未来的电动汽车也有着很好的应用前 景，必将对未来人们的生活产生深刻的影响。本文将分别从发展过程、正负极及电解 质材料的原理、应用及必威体育精装版发展状况对锂电池进行综述。 关键词：锂离子电池 聚合物锂电池 阳极材料 阴极材料 电解质 人类对锂电池最初的开发是在上世纪六十年代。由于在金属中，锂元素有着最小的密度和最大 的电负性，故而应当具有最高的比能量。但由于其抗腐蚀性及安全性不易控制，并没有得到商业化。 七十年代，松下电器研制出Li/(CF ) 电池，解决了上述不足，三洋公司推出Li/MnO 电池，并在计算 x n 2 器领域得到普及。以上所提均为一次性锂电池，最早开发成功的是加拿大 Moli 公司在八十年代推出 的Li/S2 电池，同样由于安全性因素，它并未普及。1990 年SONY 公司成功研制出二次锂离子电池， 它终于以自身的诸多优点在商业上得到广泛应用。 图1.几种常见电池的比能量与比功率曲线[1] 图2.几种常见电池的放电电压曲线[2] 锂电池作为一种新兴技术，与传统电池相比有着诸多优势（详见附表一）： 1．比能量高：描述电池性能的指标各种各样，其中用户最关心的是它的比能量的高低，即在放出尽 可能多的能量的同时有着尽可能少的自身消耗。如前所述，锂元素有着最小的密度和最大的电负 性，如图1，消耗相同质量的电池材料，锂电池放出的能量明显高于同类传统电池的值。 2 ．放电电压稳定：许多电子线路要求电池提供相对稳定的放电电压，在图2 中可以看到，锂电池（特 别是一次锂电池）就具备这种特性。例如 Li/SO2 电池的放电曲线就十分平坦，特别是 Li/SOCl2 电池，它在电量用尽前的电压可接近稳压电源的水平。 3 ．没有记忆效应，可随时补充充电。这样就使锂离子电池效能得到充分发挥，而镉镍电池、镍氢电 池会有电量使用不完全时需要先放电后才能充电的缺点。 4 ．锂离子电池不含汞、镉、铅等有毒元素，是绿色环保电池。 46 当然，锂电池也有着较明显的劣势。一是安全性，目前来看，传统锂电池发生短路甚至爆炸的 机率远高于其它传统电池，锂离子电池虽有改善，但安全系数仍然较低。二是比功率的问题，在承担 1 高负荷的情况下，锂电池的性能尚不及镉镍电池及锌银电池。三是由于锂电池的金属稀有及结构复杂 而导致的成本问题。这些都是科学家目前致力解决的问题。 早期的锂电池的负极材料是单质锂，由于锂相当活泼，遇水会剧烈反应生成LiOH ，甚至燃烧或 爆炸，所以一般采用非水电解液，如无机的SOCl2 及有机的四氢呋喃等。虽然如此，由于锂的强活性， 安全问题仍然很难解决，尤其是到了二次锂电池时期，反复的充放电使得高活性的粉状锂单质积累得 越来越多；在充电过程中形成的锂晶体可能结成枝状，引起短路等严重问题[4] ，对此人们采取的措施 一般是使用锂合金或采用尽可能小孔径的隔膜等。 图 3 ．摇椅式锂离子电池的充放电原理 今天我们所见到的锂离子电池（简称锂电池，下同）采取了更根本的解决方案，不再使用单质 锂，电池的核心部分变为锂离子及锂嵌合物。锂电池主要由阴极、阳极、能传导锂离子的电解质以及 把阴阳极隔开的隔膜组成。锂电池的实质是一种浓差电池，其正负电极材料由两种不同的锂离子嵌入 化合物组成，正极为不同类型的含锂化合物，负极则由石墨一类的物质形成层状结构，Li+可填充于 其中。如图3，在充电时，阴极部分的锂离子脱嵌，离开含锂化合物，透过隔膜向阳极移动，并嵌入 到阳极的层状结构中；反之在放电时，锂离子在负极脱嵌，移向正极并结合于正极的化合物之中。与 + + 传统锂电池不同的是，被氧化还原的物质不再是Li 和Li ，Li 只是伴随着两极材料本身发生放电而产 生的氧化态的变化而反复脱嵌与嵌入，往返于两极之间，所以锂电池又被称作摇椅