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??? 自從1958 年美國(guó)加州大學(xué)的一位研究生提出了鋰、鈉等活潑金屬做電池負(fù)極的設(shè)想后，人類開始了對(duì)鋰電池的研究。而從1971 年日本松下公司的福田雅太郎發(fā)明鋰氟化碳電池并使鋰電池實(shí)現(xiàn)應(yīng)用化商品化開始，鋰電池便以其比能量高,電池電壓高，工作溫度范圍寬，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動(dòng)電話、筆記本電腦、攝像機(jī)、照相機(jī)等。
一、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理
?????? 所謂鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃度差電池，正負(fù)兩極由兩種鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡，放電時(shí)則相反，鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)嵌入正極（這種循環(huán)被形象的稱為搖椅式機(jī)制）。在正常的充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物層間嵌入嵌出，因?yàn)檫^(guò)渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2、LiNiO2中低自旋配合物多，晶格體積小，在鋰離子嵌入脫嵌時(shí)，晶格膨脹收縮性小，結(jié)晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此循環(huán)性能好，而且充放電過(guò)程中，負(fù)極材料化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變，因此從充放電反應(yīng)的可逆性看鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆過(guò)程。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”。
◎當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。這就需要一個(gè)電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對(duì)鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
◎作為負(fù)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(fù)合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。
◎電解質(zhì)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(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低，而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到了熱保險(xiǎn)作用。
◎外殼采用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電的功能。
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二、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L(zhǎng)IB)和聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IP)兩大類。
?????? 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、銅作集流體。它們的主要區(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)。
?????? 由于聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質(zhì)不會(huì)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(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。基于以上優(yōu)點(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)為下一代鋰離子電池。
三、鋰離子電池的應(yīng)用及前景
?????? 了解了鋰離子電池的原理之后，下面我們來(lái)看一下鋰離子電池的應(yīng)用：
?????? 鋰離子電池的一個(gè)應(yīng)用方向是電動(dòng)汽車。進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代，由于工業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)量劇增，大氣污染成分的63%來(lái)自燃油汽車，為了根治汽車尾氣對(duì)環(huán)境造成的污染，電動(dòng)汽車及電動(dòng)汽車電池的開發(fā)研究成為國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)發(fā)展的新熱點(diǎn)，而目前電動(dòng)汽車商品化的難題主要是電池性能滿足不了要求，而且價(jià)格高，體積大，質(zhì)量大，而鋰離子電池由于具有比能量高，自放電小，循環(huán)壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)和對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)中期目標(biāo)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池之一，1997年7月，美國(guó)試驗(yàn)的Nissan Altra EV 配備了song LA4LB（94Ah,28.8V，90WHkg-1，30㎏）鋰離子電池，并于1998年推向加州市場(chǎng)，1997年10月，法國(guó)推出了歐洲第一輛使用鋰離子電池的電動(dòng)汽車Peugeot 106EV。目前，在鋰離子動(dòng)力電池研究方面領(lǐng)先的廠商有日本Song、德國(guó)Varta 和法國(guó)Saft，而未來(lái)，具更高能量的聚合物鋰離子電池（PLIB）將成為遠(yuǎn)期目標(biāo)的電動(dòng)車用鋰離子電池。
??????? 而鋰離子電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楸銛y電子產(chǎn)品，如手機(jī)、筆記本電腦。目前，移動(dòng)電話和筆記本電腦兩個(gè)領(lǐng)域的液態(tài)鋰離子電池（LIB）用量已占全世界鋰離子電池市場(chǎng)的90%，1999年，全世界的移動(dòng)電話有42%使用LIB 電池，筆記本電腦有67%使用LIB 電池，據(jù)估算，到2010年，移動(dòng)電話和筆記本電腦所用的電池中LIB 電池和PLIB 電池將會(huì)占有71%的市場(chǎng)。中國(guó)1999年底，已有移動(dòng)電話用戶4600 萬(wàn)人，占全國(guó)人口的4%，手機(jī)擁有量名列世界第三位，到2001年，中國(guó)擁有手機(jī)的數(shù)量已占全國(guó)人口的10%，而發(fā)達(dá)國(guó)家移動(dòng)電話用戶已達(dá)30%，可見(jiàn)，中國(guó)具有巨大的鋰離子電池潛在市場(chǎng)，2001 年，全球鋰電池用量已達(dá)6.65 億只，其中，諾基亞、摩托羅拉、愛(ài)立信三大廠商共銷售鋰電池2.1 億只，日本鋰電池產(chǎn)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生產(chǎn)廠家，可以說(shuō)，隨著手機(jī)和筆記本電腦的普及，鋰離子電池已經(jīng)與我們實(shí)現(xiàn)了零距離，而我們?cè)絹?lái)越關(guān)心的是如何判斷電池性能的好壞，及如何去保養(yǎng)電池，下面簡(jiǎn)單談一下這兩個(gè)問(wèn)題：
??????? 電池性能一般通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)：
（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(duì)時(shí)間的積分，一般用mAh 或Ah 來(lái)表示，它直接影響電池的最大工作電流和工作時(shí)間。
（2）放電特性和內(nèi)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(wěn)性，電壓平臺(tái)的高低以及電流放電性能等，它表明電池帶負(fù)載能力。
（3）貯存性能：貯存一段時(shí)間后，電池會(huì)因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導(dǎo)致電池自放電，電解液泄漏，電池短路等。
（4）循環(huán)壽命：指電池按照一定的制度進(jìn)行充放電，性能衰減到某一程度時(shí)的循環(huán)次數(shù)。
（5）內(nèi)壓和耐過(guò)充電性能：如果電池內(nèi)部壓力達(dá)不到平衡或平衡壓力過(guò)高，就會(huì)使限位裝置開啟而引起電池泄氣或漏液，從而導(dǎo)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(guó)際上規(guī)定了非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，一只合格的鋰離子電池在安全性能上應(yīng)滿足以下條件：
（1）短路：不起火，不爆炸
（2）過(guò)充電：不起火、不爆炸
（3）熱箱試驗(yàn)：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，鋰離子電池自上世紀(jì)初產(chǎn)業(yè)化以來(lái)，一直處于快速發(fā)展的趨勢(shì)之中。目前鋰離子電池已被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等便攜式產(chǎn)品，同時(shí)其作為動(dòng)力電池的基本條件已經(jīng)具備，正在向電動(dòng)自行車、摩托車及汽車等方向發(fā)展?？梢?jiàn)，鋰離子電池的市場(chǎng)前景和容量均較為廣闊，根據(jù)新材料在線的預(yù)測(cè)，全球鋰電池的需求將保持年均10%左右的增長(zhǎng)速度，我國(guó)的鋰離子電池需求量也將保持快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此對(duì)于眾多鋰離子電池生廠家來(lái)說(shuō)，進(jìn)一步改善其設(shè)計(jì)及提高其性能，盡早設(shè)計(jì)出安全實(shí)用、質(zhì)量?jī)?yōu)異的產(chǎn)品，就能更早的在市場(chǎng)中占據(jù)領(lǐng)先地位，搶占商機(jī)。 |
