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電池知識

鋰電池最早誕生于哪個國家?鋰電池的發(fā)展進程有多少年了?現(xiàn)在最常用的是哪種電池?

來源:寶鄂實業(yè)    2019-04-15 09:19    點擊量:
 “鋰電池”,是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時,M.S.WhitTIngham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非?;顫?,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環(huán)境要求非常高。所以,鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發(fā)展,現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰,并且是可以充電的??沙潆婋姵氐牡谖宕a(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優(yōu)于鋰離子電池。

  鋰電池的發(fā)展進程:

  1970年,??松腗.S.WhitTIngham采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成首個鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯,負極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。鋰離子電池(Li-ionBatteries)是鋰電池發(fā)展而來。舉例來講,以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。這種電池也可以充電,但循環(huán)性能不好,在充放電循環(huán)過程中容易形成鋰結(jié)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。1980年,J.Goodenough發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。

  1982年伊利諾伊理工大學(theIllinoisInsTItuteofTechnology)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,其安全隱患備受關注,因此人們嘗試利用鋰離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驗室試制成功。

  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)良的導電、導鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠低于鈷酸鋰,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。

  1992年日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負極,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。隨后,鋰離子電池革新了消費電子產(chǎn)品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池,至今仍是便攜電子器件的主要電源。

  1996年Padhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽,如磷酸鐵鋰(LiFePO4),比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性,尤其耐高溫,耐過充電性能遠超過傳統(tǒng)鋰離子電池材料。因此已成為當前主流的大電流放電的動力鋰電池的正極材料。

  縱觀電池發(fā)展的歷史,可以看出當前世界電池工業(yè)發(fā)展的三個特點,一是綠色環(huán)保電池迅猛發(fā)展,包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等;二是一次電池向蓄電池轉(zhuǎn)化,這符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略;三是電池進一步向小、輕、薄方向發(fā)展。在商品化的可充電池中,鋰離子電池的比能量最高,特別是聚合物鋰離子電池,可以實現(xiàn)可充電池的薄形化。正因為鋰離子電池的體積比能量和質(zhì)量比能量高,可充且無污染,具備當前電池工業(yè)發(fā)展的三大特點,因此在發(fā)達國家中有較快的增長。電信、信息市場的發(fā)展,特別是移動電話和筆記本電腦的大量使用,給鋰離子電池帶來了市場機遇。而鋰離子電池中的聚合物鋰離子電池以其在安全性的獨特優(yōu)勢,將逐步取代液體電解質(zhì)鋰離子電池,而成為鋰離子電池的主流。聚合物鋰離子電池被譽為“21世紀的電池”,將開辟蓄電池的新時代,發(fā)展前景十分樂觀。

  2015年3月,日本夏普與京都大學的田中功教授聯(lián)手成功研發(fā)出了使用壽命可達70年之久的鋰離子電池。此次試制出的長壽鋰離子電池,體積為8立方厘米,充放電次數(shù)可達2.5萬次。并且夏普方面表示,此長壽鋰離子電池實際充放電1萬次之后,其性能依舊穩(wěn)定。

  鋰電池的發(fā)展前景:

  為了開發(fā)出性能更優(yōu)異的品種,人們對各種材料進行了研究。從而制阿聯(lián)酋鋰電池公交車(荷蘭制造)造出前所未有的產(chǎn)品。比如,鋰二氧化硫電池和鋰亞硫酰氯電池就非常有特點。它們的正極活性物質(zhì)同時也是電解液的溶劑。這種結(jié)構(gòu)只有在非水溶液的電化學體系才會出現(xiàn)。所以,鋰電池的研究,也促進了非水體系電化學理論的發(fā)展。除了使用各種非水溶劑外,人們還進行了聚合物薄膜電池的研究。

  鋰電池廣泛應用于水力、火力、風力和太陽能電站等儲能電源系統(tǒng),郵電通訊的不間斷電源,以及電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動汽車、軍事裝備、航空航天等多個領域。

  鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢已在便攜式電器如手提電腦、攝像機、移動通訊中得到普遍應用。開發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動汽車中開始試用,預計將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一,并將在側(cè)面人造衛(wèi)星、航空航天和儲能方面得到應用。隨著能源的緊缺和世界的環(huán)保方面的壓力。鋰電被廣泛應用于電動車行業(yè),特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現(xiàn),更推動了鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應用。

  《規(guī)劃》出臺有望改變世界鋰電池格局

  4月18日,國務院討論通過了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012~2020年)》(下稱《規(guī)劃》),明確了以純電驅(qū)動為汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向,推廣普及非插電式的混合動力汽車,并提出了在2015年純電動以及混合動力車累計產(chǎn)銷量達到50萬輛,到2020年超過500萬輛的目標。

  《規(guī)劃》的出臺,在坊間引發(fā)巨大關注。諸多專家認為,此舉將促進汽車業(yè)進入新一輪發(fā)展期,此外,還在無形中為節(jié)能與新能源汽車的核心部件動力電池產(chǎn)業(yè)勾勒出一個龐大的市場輪廓。

  《2013-2017年中國鋰電池行業(yè)產(chǎn)銷需求與投資預測分析報告》數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2012年我國新能源汽車、電網(wǎng)儲能、特種車、通信基站等領域的成品鋰電池組市場規(guī)模為35億元,比2011年的26億元增長34.6%。其中新能源汽車的應用占比為57%。

  自從2007年蘋果公司發(fā)布智能手機,隨后又推出平板電腦以來,全球便進入了智能化時代,對智能手機和平板電腦的強烈需求快速推動了數(shù)碼鋰電池的銷量,其中以手機鋰電池銷量最大。

  2012年數(shù)碼鋰電池行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的快速調(diào)整,一方面使軟包鋰電池、圓柱鋰電池的銷量快速增加,并保持30%以上的增速,另一方面又使鋁殼方形鋰電池的市場規(guī)模迅速萎縮。整個數(shù)碼鋰電池行業(yè)正在經(jīng)歷深刻的變化,對投資者而言,能否在變革中把握市場趨勢的變化決定了公司未來命運。

  鋰電池的應用:

  隨著二十世紀微電子技術的發(fā)展,小型化的設備日益增多,對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進入了大規(guī)模的實用階段。

  最早得以應用的是鋰亞原電池,用于心臟起搏器中。由于鋰亞電池的自放電率極低,放電電壓十分平緩。使得起搏器植入人體長期使用成為可能。

  鋰錳電池一般有高于3.0伏的標稱電壓,更適合作集成電路電源,廣泛用于計算機、計算器、手表中。

  鋰離子電池大量應用在手機、筆記本電腦、電動工具、電動車、路燈備用電源、航燈、家用小電器上,可以說是最大的應用群體。
鋰電池分為兩種:鋰金屬電池和鋰離子電池。這是根據(jù)鋰存在的形態(tài)來定義的,鋰金屬電池是用金屬鋰做電極,而鋰離子電池則是以離子形態(tài)存在于電極。

  鋰金屬電池通過金屬鋰的腐蝕或叫氧化來產(chǎn)生電能的,用完就廢了,不能充電,因此也稱一次電池。鋰離子電池則是利用鋰離子的濃度差進行儲能和放電,電池中不存在金屬鋰,因此也稱鋰二次電池。目前所應用于手機、相機、電動工具、電動汽車、儲能、通信基站等可充鋰電池,均為鋰離子電池。一般市場上大多數(shù)常用可見的鋰電池均為鋰離子電池,大家也習慣簡稱為鋰電池,本文所稱鋰電池也主要指鋰離子電池。

  一、鋰電池分類

  1、市場上習慣用的兩種分類方式:按極片材料分類和按產(chǎn)品外觀分類。

  A、按極片材料分類

  正極材料:磷酸鐵鋰電池(LFP)、鈷酸鋰電池(LCO)、錳酸鋰電池(LMO)、(二元電池:鎳錳酸鋰/鎳鈷酸鋰)、(三元:鎳鈷錳酸鋰電池(NCM)、鎳鈷鋁酸鋰電池(NCA))

  負極材料:鈦酸鋰電池(LTO)、石墨烯電池、納米碳纖維電池

  關于市場上的石墨烯概念,主要是指石墨烯基電池,即在極片中加入石墨烯漿料,或在隔膜上加入石墨烯涂層。鎳酸鋰、鎂基電池市場上基本不存在。

  B、按產(chǎn)品外觀分類

  分為:圓柱、軟包、方形。

  圓柱和方形外包裝多為鋼殼或者鋁殼。軟包外包裝為鋁塑膜,其實軟包也是一種方形,市場上習慣將鋁塑膜包裝的稱為軟包,也有人將軟包電池稱為聚合物電池。

  對于圓柱形鋰離子電池,其型號一般為5位數(shù)字。前兩位數(shù)字為電池的直徑,中間兩位數(shù)字為電池的高度。單位為毫米。例如18650鋰電池,它的直徑為18毫米,高度為65毫米。

  C、按電解質(zhì)材料的不同

  鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)。

  液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質(zhì)(目前動力用電池多為此種)。聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替,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凝膠電解質(zhì)。關于固態(tài)電池,嚴格意義上的是指電極和電解質(zhì)均為固態(tài)的。

  D、按電池實用性能分類

  功率型電池和能量型電池。能量型電池以高能量密度為特點,主要用于高能量輸出;功率型電池以高功率密度為特點,主要用于瞬間高功率輸出、輸出的電池。而功率能量型鋰電池是伴隨著插電式混合動力車的出現(xiàn)而出現(xiàn)的。它要求電池儲存的能量較高,可以支持一段距離的純電行駛,也要具備較好的功率特性,在低電量的時候進入混合動力模式。

  簡單理解,能量型類似于馬拉松選手,要有耐力,就是要求高容量,對大電流放電性能要求不高;那么功率型就是短跑選手,拼的是暴發(fā)力,但耐力也要有,不然容量太小就跑不遠。

  二、鋰電池材料構(gòu)成

  四大主材:正極材料、負極材料、隔膜、電解液

  輔材:NMP、銅箔、鋁箔、鋁殼蓋板、導電劑、粘結(jié)劑、其他(EMD)等。

  鋰電池”,是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gil

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  tN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時,M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非?;顫?,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環(huán)境要求非常高。所以,鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發(fā)展,現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。

  鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰,并且是可以充電的??沙潆婋姵氐牡谖宕a(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制,現(xiàn)在只有少數(shù)幾個國家的在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

  碳負極材料

  已經(jīng)實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。

  錫基負極材料

  錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基復合氧化物兩種。氧化物是指各種價態(tài)金屬錫的氧化物。沒有商業(yè)化產(chǎn)品
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