鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池的由來及發(fā)展優(yōu)勢！
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-14 09:55
點(diǎn)擊量：次
鋰電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池，可以理解為含有鋰元素（包括金屬鋰、鋰合金、鋰離子、鋰聚合物）的電池，可分為鋰金屬電池（極少的生產(chǎn)和使用）和鋰離子電池（現(xiàn)今大量使用）。因其具有比能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等，部分代替了傳統(tǒng)電池。
1970年代?？松腗.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個鋰電池。
1980年，J. Goodenough 發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。
982年伊利諾伊理工大學(xué)（the Illinois InsTItute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。與此同時，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受關(guān)注，因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。
1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。
1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。
1991年索尼公司發(fā)布首個商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。
1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵（LiFePO4），比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。
鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來講，紐扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓，不需充電。這種電池也可以充電，但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中，容易形成鋰枝晶，造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。
后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。
20世紀(jì)90年代初，日本Sony能源開發(fā)公司和加拿大Moli能源公司分別研制成功了新型的鋰離子蓄電池，不僅性能良好，而且對環(huán)境無污染。隨著信息技術(shù)、手持式機(jī)械和電動汽車的迅猛發(fā)展，對高效能電源的需求急劇增長，鋰電池已成為目前發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一。
02
鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及原理
鋰離子電池的主要組成：
（1）正極——活性物質(zhì)主要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等，導(dǎo)電集流體一般使用厚度在10--20微米的鋁箔；
（2）隔膜——一種特殊的塑料膜，可以讓鋰離子通過，但卻是電子的絕緣體，目前主要有PE和PP兩種及其組合。還有一類無機(jī)固體隔膜，如氧化鋁隔膜涂層就是一種無機(jī)固體隔膜，；
（3）負(fù)極——活性物質(zhì)主要指石墨、鈦酸鋰、或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳材料，導(dǎo)電集流體一般使用厚度在7-15微米的銅箔；
（4）電解液——一般為有機(jī)體系，如溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，另有些聚合物電池使用凝膠狀電解液；
（5）電池外殼——主要分為硬殼（鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼等）和軟包（鋁塑膜）兩種 。
當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)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(tài)，一般選擇相對鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
做為負(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，起到了熱保險作用。
外殼采用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電的功能。
基本工作原理
當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。負(fù)極的炭材料呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
當(dāng)對電池進(jìn)行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出， 又運(yùn)動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。
在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動狀態(tài)。這就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來回運(yùn)動。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。
充放電機(jī)理
鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。
鋰離子電池過度充放電會對正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。
鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽命的2~4倍。
03
鋰離子電池主要性能指標(biāo)
