锂电池的发展前景及优缺点.doc

关于锂电池的概述与发展前景 一、锂离子的简单介绍 锂电池分为锂一次电池（又称锂原电池）与锂二次电池（又称锂可充电电池）。锂原电池通常以金属锂或者锂合金为负极，用MnO2，SOCl2，（CF）n等材料为正极。锂二次电池研发分为金属锂二次电池、锂离子电池与锂聚合物电池三个阶段。锂原电池的研究开始于20世纪50年代，在70年代实现了军用与民用。后来基于环保与资源的考虑，研究重点转向可反复使用的二次电池。锂金属二次电池研究只比锂原电池晚了十年，它在80年代推出市场。但由于安全性等问题，除以色列Tadiran电池公司和加拿大的Hydro Quebec公司仍在研发外，锂金属二次电池发展基本处于停顿状态。 锂离子电池（Li-ion Battery,LIB）的设计贯彻了全新的电池概念。一般来讲，普通电池的工作原理大都基于“氧化-还原反应”；而锂离子电池原理除“氧化-还原”以外，还基于电化学嵌入/脱嵌反应。在两极形成的电压降的驱动下，锂离子（Li+）可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或者“脱嵌”，在充放电过程中，锂离子在正负极间定向的移动。由于“嵌入与脱嵌”并没有造成电极材料晶格结构的变化，反应具有良好的可逆性。这让锂离子电池具有一般高能量密度可充电电池所不具备的高循环寿命。 事实上，这个概念早在上世纪80年代初就提出了，但概念的最终实现历时十年之久。1991年6月，日本索尼公司推出第一块商品化锂离子电池，标志着电池工业的一次革命，有人甚至将它同1940—1950年代晶体管取代电子管的半导体革命相提并论。 锂聚合物电池的发展先后经历“锂固体聚合物电解质电池”（Li SPE Battery）与“锂离子凝胶聚合物电解质电池”（Li-ion GPE Battery）两个阶段。后者在1994年出现，并在1999年实现商品化。 二、锂离子电池的结构与工作原理 锂离子电池的基本结构为：正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封圈、盖板等。 锂离子电池的正极 锂离子电池的正极材料必须有能接纳锂离子的位置和扩散的路径。具有高插入点位层状结构的过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2和尖晶石结构的LiMn2O4是目前已应用的性能较好的正极材料。这些正极的插锂电位都可达4V以上。LiCoO2、LiNiO2为层状晶体，六方晶胞，晶体中，Li离子处于O构成的八面体空隙中。LiMn2O4晶体为尖晶石型， 为了扩展扩展锂离子脱嵌通道和稳定骨架结构，往往向晶体中掺入一定量的离子半径较大的金属离子，由于掺杂离子的离子半径较Co、Ni离子大，因此掺杂材料的晶胞参数比未掺杂材料的大，这在一定程度上扩充了锂离子迁移的三维通道，更有利于锂离子的嵌入与脱嵌，有效提高了锂离子电池的电化学循环可逆性及循环稳定性。 锂离子电池的负极 锂离子电池的负极是将负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。锂离子电池所采用的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、PAS、锡基氧化物、锡合金，以及纳米负极材料等。碳负极对锂离子电池的性能有重要影响，从提高电池性能出发，选用的碳负极材料应符合以下要求：1.锂贮存量高；2.锂在碳中的嵌入-脱嵌反应快；3.锂离子在电极材料中的存在状态稳定；4.在电池的充放电循环中，碳负极材料体积变化小； 锂离子电池的电解液 电池的电解液对电池性能有重大影响，传统电池中，电解液均采用以水为溶剂的电解液体系，但是，由于水的理论分解电压只有1.23V，即使考虑到氢和氧的超电势，以水为溶剂的电解液体系的电池的电压最高也只有2V左右。锂离子电池电压高达3~4V，传统的水溶液体系显然已不再适应电池的需要，而必须采用非水电解液体系作为锂离子电池的电解液。目前，锂离子电池的电解液分为液体、固体和熔盐电解质三类，以有机点解液为主。常见的有机点解液有环状碳酸酯，环状醚，链状醚，链状碳酸酯等。锂离子电池使用的电解质盐有多种，一般阴离子半径大的锂盐最好，目前开发的无机阴离子导电盐有LiBF4,LiPF6,LiAsF6等。 锂离子电池的隔膜 隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两级接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对电池的性能有很大影响。对于锂离子电池，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。 锂离子电池的工作原理 一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。以典型的液态锂离子为例，当以石墨为负