鋰離子電池的由來及開展
來源：寶鄂實業(yè)
2020-02-25 11:19
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1970年代?？松腗.S.Whittingham選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。
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，此進程是快速的，并且可逆。與此一起，選用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受重視，因此人們檢驗運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)異的正極材料，具有賤價、安穩(wěn)和優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰功用。其分化溫度高，且氧化性遠低于鈷酸鋰，即便出現(xiàn)短路、過充電，也可以避免了焚燒、爆炸的風險。
1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)選用聚合陰離子的正極將發(fā)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電子產(chǎn)品的容顏。
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，因此已成為其時干流的正極材料。
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鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池開展而來。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來講，紐扣式電池就歸于鋰電池。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。這種電池也可以充電，但循環(huán)功用欠好，在充放電循環(huán)進程中，簡略構(gòu)成鋰枝晶，構(gòu)成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是制止充電的。
后來，日本索尼公司發(fā)清楚以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電進程中，沒有金屬鋰存在，只需鋰離子，這就是鋰離子電池。
20世紀90年代初，日本Sony動力開發(fā)公司和加拿大Moli動力公司別離研制成功了新式的鋰離子蓄電池，不只功用杰出，并且對環(huán)境無污染。跟著信息技術(shù)、手持式機械和電動轎車的迅猛開展，對高效能電源的需求急劇增長，鋰電池已成為現(xiàn)在開展最為敏捷的范疇之一。
鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及原理
鋰離子電池的首要組成：
（1）正極——活性物質(zhì)首要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等，導(dǎo)電集流體一般運用厚度在10--20微米的鋁箔；
（2）隔膜——一種特別的塑料膜，可以讓鋰離子經(jīng)過，但卻是電子的絕緣體，現(xiàn)在首要有PE和PP兩種及其組合。還有一類無機固體隔膜，如氧化鋁隔膜涂層就是一種無機固體隔膜，；
（3）負極——活性物質(zhì)首要指石墨、鈦酸鋰、或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳材料，導(dǎo)電集流體一般運用厚度在7-15微米的銅箔；
（4）電解液——一般為有機系統(tǒng)，如溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，另有些聚合物電池運用凝膠狀電解液；
（5）電池外殼——首要分為硬殼（鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼等）和軟包（鋁塑膜）兩種 。
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當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入，放電時反之。這就需求一個電極在組裝前處于嵌鋰情況，一般選擇相對鋰而言電位大于3V且在空氣中安穩(wěn)的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
做為負極的材料則選擇電位盡可能挨近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、組成石墨、碳纖維、中心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)選用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系統(tǒng)。
隔膜選用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不只熔點較低，并且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱穩(wěn)妥效果。
外殼選用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電的功用。
底子作業(yè)原理
當對電池進行充電時，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。負極的炭材料呈層狀結(jié)構(gòu)，它有許多微孔，抵達負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。
當對電池進行放電時（即我們運用電池的進程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出， 又運動回正極?；卣龢O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進程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動情況。這就像一把搖椅，搖椅的兩頭為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩頭來回運動。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。
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充放電機理
鋰離子電池的充電進程分為兩個階段：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極構(gòu)成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凹陷，而凹陷會構(gòu)成充電進程中鋰離子無法刺進；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結(jié)構(gòu)，而構(gòu)成其間部分鋰離子再也無法釋放出來。
鋰離子電池堅持功用最佳的充放電方法為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽數(shù)的2~4倍。
鋰離子電池首要功用目標
電池的容量
電池的容量有額定容量和實踐容量之分。電池的額定容量是指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，以5h率放電至間斷電壓時所應(yīng)提供的電量，用C5表明。電池的實踐容量是指電池在必定的放電條件下所放出的實踐電量，首要受放電倍率和溫度的影響（故嚴格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條件）。
容量單位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。
電池內(nèi)阻
電池內(nèi)阻是指電池在作業(yè)時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻值大，會導(dǎo)致電池放電作業(yè)電壓下降，放電時間縮短。內(nèi)阻巨細首要受電池的材料、制作工藝、電池結(jié)構(gòu)等要素的影響。電池內(nèi)阻是衡量電池功用的一個重要參數(shù)。
電壓
開路電壓是指電池在非作業(yè)情況下即電路中無電流流過期，電池正負極之間的電勢差。一般情況下，鋰離子電池布滿電后開路電壓為4.1—4.2V左右，放電后開路電壓為3.0V左右。經(jīng)過對電池的開路電壓的檢測，可以判別電池的荷電情況。
作業(yè)電壓又稱端電壓，是指電池在作業(yè)情況下即電路中有電流流過期電池正負極之間的電勢差。在電池放電作業(yè)情況下，當電流流過電池內(nèi)部時，不需打敗電池的內(nèi)阻所構(gòu)成阻力，故作業(yè)電壓總是低于開路電壓，充電時則與之相反。鋰離子電池的放電作業(yè)電壓在3.6V左右。
放電途徑時間
放電途徑時間是指在電池滿電情況下放電至某電壓的放電時間。例對某三元電池測量其3.6V的放電途徑時間，以恒壓充到電壓為4.2V，并且充電電流小于0.02C時間斷充電即布滿電后，然后放置10分鐘，在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時的放電時間即為該電流下的放電途徑時間。
因某些運用鋰離子電池的用電器的作業(yè)電壓都有電壓要求，假如低于要求值，則會出現(xiàn)無法作業(yè)的情況。所以放電途徑是衡量電池功用好壞的重要規(guī)范之一。
充放電倍率
充放電倍率是指電池在規(guī)矩的時間內(nèi)放出其額定容量時所需求的電流值，1C在數(shù)值上等于電池額定容量，通常以字母C表明。如電池的標稱額定容量為10Ah，則10A為1C（1倍率），5A則為0.5C，100A為10C，以此類推。
自放電率
自放電率又稱荷電堅持才能，是指電池在開路情況下，電池所貯存的電量在必定條件下的堅持才能。首要受電池的制作工藝、材料、貯存條件等要素的影響。是衡量電池功用的重要參數(shù)。
功率
充電功率是指電池在充電進程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能貯存的化學(xué)能程度的測量。首要受電池工藝，配方及電池的作業(yè)環(huán)境溫度影響，一般環(huán)境溫度越高，則充電功率要低。
放電功率是指在必定的放電條件下放電至終點電壓所放出的實踐電量與電池的額定容量之比，首要受放電倍率，環(huán)境溫度，內(nèi)阻等要素影響，一般情況下，放電倍率越高，則放電功率越低。溫度越低，放電功率越低。
循環(huán)壽數(shù)
電池循環(huán)壽數(shù)是指電池容量下降到某一規(guī)矩的值時，電池在某一充放電原則下所閱歷的充放電次數(shù)。鋰離子電池GB規(guī)矩，1C條件下電池循環(huán)500次后容量堅持率在60%以上。
鋰離子電池的首要分類
（一）、根據(jù)鋰電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰電池可以分為液態(tài)鋰電池(lithium ion battery, 簡稱為LIB)和聚合物鋰電池(polymer lithium ion battery, 簡稱為LIP)兩大類。
（二）、按充電方法可分為：不可充電的及可充電的兩類。
（三）、鋰電池外型分：有方型鋰電（如常用的手機電池）和柱形（如18650、18500）；
（四）、鋰電池外包材料分：鋁殼鋰電池，鋼殼鋰電池，軟包電池；
（五）、鋰電池從正負極材料（添加劑）分：鈷酸鋰(LiCoO2)電池、錳酸鋰（LiMn2O4），磷酸鐵鋰電池，一次性二氧化錳鋰電池
