钜大LARGE | 点击量：1903次 | 2018年07月22日
锂离子电池的发展过程是什么
一、天生丽质
锂元素是在1817年被瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特逊发现，贝齐里乌斯将其命名为锂。到1855的年本生和马奇森采用电解熔化氯化锂的方法才得到金属锂单质，而工业化制锂是在1893年由根莎提出的。现在仍然采用电解LiCl制取锂，这个方法要消耗大量的电能，每炼一吨锂就耗电高达六、七万度。
锂在他出世后的100多年中，它主要作为抗痛风药服务于医学界。美国特种航天特种局(NASA)最早认识到，锂电池能作为一种高效的电池。这是因为电池电压是和负极金属活泼性密切相关的。作为非常活泼的碱金属，锂电池能提供较高的电压。比如锂电池可以提供3V的电压，而铅蓄电池只有2.1V，而碳锌电池只有1.5V。根据P=UI，相同电流下，锂电池能输出更高的功率。
作为3号元素，自然界存在的锂由两种稳定的同位素6Li和7Li组成，因此锂的相对原子质量只有6.9。这就意味着在在质量相同时，金属锂比其它活泼金属能提供更多的电子。此外，锂元素还有另外一个优点。锂离子离子半径小，因此锂离子比其他大的离子更容易在电解液中移动，充放电时可以实现正负极间的有效、快速的迁移，从而使整个电化学反应得以进行。
金属锂尽管有很多优点，但是制造锂电池还有很多需要克服的困难。首先，锂是非常活泼的碱金属元素，能和水以及氧气反应，而且常温下它就能与氮气发生反应。这就导致金属锂的保存、使用或是加工都比其他金属要复杂得多，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学家的攻关，锂电池的技术障碍一个个突破，锂电池渐渐也登上了舞台，锂电池随之进入了大规模的实用阶段。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
二、金属锂电池
在金属锂一次电池的开发中，初期选择传统正极材料，如Ag、Cu、Ni的化合物的电化学性能一直达不到要求，人们不得不寻找新的正极材料。1970年，日本Sanyo公司利用二氧化锰作为正极材料，造出了人类第一块商品锂电池。1973年松下开始量产正极活性物质为氟化炭材料作正极的锂原电池。1976年，以碘为正极的锂碘原电池问世。上世纪80年代以后，锂的开采成本大幅度降低，锂电池开始商业化。
早期金属锂电池属于一次电池，这种电池只能一次性使用、不能充电。锂电池的成功极大地激发了人们继续研发可充电电池的热情，开发锂充电电池的序幕就此拉开。1972年，美国埃克森(Exxon)公司采用二硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，开发出世界上第一个金属锂充电电池。这款可充电锂电池就拥有可深度充放电1000次且每次循环的损失不超过0.05%的优良性能。
锂充电电池研究曾经非常深入，但直到今天为止，以金属锂为负极的充电电池仍然没有商业化生产。这是因为锂充电电池一直没有解决充电的安全性问题。当锂电池充电时，锂离子在阴极获得电子析出金属锂。在理想状态，金属锂应该像水(金属锂)倒在地面(电极)上，铺上平平的一层。但是，金属锂在阴极上的沉积，却像在地上长了一棵树一样，形成树枝状的结构。这些树枝状的金属锂经过多次充放电，等树枝长的足够大就能从正极连到了负极，造成电池内部短路，可能引起电池起火或者爆炸。1989年以后大多数企业停止了对锂二次电池的开发。
三、摇椅式电池
为了绕开金属锂析出时产生的树枝状结晶问题，1980年，Armand率先提出了RCB概念。电池两极不再采用金属锂，而是采用锂的嵌合物。在锂嵌合物中，嵌合物中有三维或者二维空隙，金属锂不是以晶体形态存在，而是以锂离子和电子的形式存在于空隙中。你可以把锂嵌合物想象成一个汉堡包，嵌合体相当于两片面包，而锂原子(锂离子与电子)就是中间的牛排，能被很轻松地抽出和加入。正因如此，锂离子嵌合物可以取代金属锂，作为电池中锂离子的提供者。由于锂离子放在嵌合物的空隙中，枝晶问题就不再严重了。更为重要的是，嵌合物往往对空气等不敏感。因此锂嵌合物大大增加了锂电池的安全性。
第一个嵌入物质就是我们再熟悉不过石墨。大家都知道，石墨具有层状结构，层间距是0.355nm，而锂离子只有0.07nm，所以锂离子很容易插入石墨中，形成组成为C?Li的石墨锂嵌合物。1982年，美国伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性。他们发现，锂离子嵌入石墨的过程不仅快速。在充电时，石墨电极得到电子，并接受Li+离子嵌入，生成石墨-锂化合物，反应式为C?+Li?+eˉ→C?Li。放电时，则发生上述过程的逆反应。
因此，改进后的锂电池能够释放或储存能量是因为锂离子在两个电极之间反复游走。在充电时，电流将正极嵌合物中的锂离子赶了出来，这些锂离子经过正极与负极之间的电解液“游”到负极嵌合物中；而放电时，锂离子又从负极嵌合物中经过电解液“游”回正极嵌合物中。锂在整个脱落和嵌入的循环过程中，都保持稳定的离子形式，锂离子能在电池两极的嵌合物或者摇摆，因此又被称为“摇椅式电池”(RockingChairBattery，缩写为RCB)。
四、锂离子电池
石墨价格低廉，结构稳定，是十分理想的负极材料，那么正极应该采用什么材料呢。1970年，M.S.Whittingham发现锂离子可以在层状材料TiS2可逆的嵌入析出，适合做锂电池正极。1980年，美国物理学教授JohnGoodenough找到了新物质的LiCoO2。这种物质也具有类似石墨的层状结构。1982年，Goodenough就发现了具有三维空隙的LiMn2O4，这种结构能够提供三维通道给锂离子移动。1996年Goodenough又发现具有橄榄树结构的LiFePO?，这个物质具有更高的安全性，尤其耐高温，耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。
日本索尼公司将钴酸锂(正极材料)和石墨(负极材料)结合，使用含有锂盐(如六氟磷酸锂)的有机溶剂作为电解液，在1990年开发出了全新的可充电锂电池，1992年，该种电池实现商业化。这样的电池，工作电压可达到3.7伏以上，索尼公司在并将该技术重新命名为“Li-ion”。这个标识可以在很多手机电池或者笔记本电池上找到。高性能，低成本，安全性好，这种锂离子电池一经问世立刻受到了欢迎，帮助索尼一跃成为行业老大。由于锂离子电池中不含有重金属铬，与镍铬电池相比，大大减少了对环境的污染。
一般的电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。锂离子电池下一个重要更新是以高分子材料主要是取代电解质溶液。1973年，Wright等人发现某些聚合物能够较快的传导锂离子。1975年Feullade和Perche又发现PEO，PAN，PVDF等聚合物的碱金属盐配合物具有离子导电性。1978年，法国的Armadnd博士预言这类材料可以用作储能电池的电解质，提出电池用固体电解质的设想。1995年，日本索尼公司发明了聚合物锂电池，电解质是凝胶的聚合物。1999年，聚合物锂离子电池实现商品化。
五、锂电池的未来
1958年，哈里斯(Harris)考虑到锂会与水以及空气发生反应，提出了采用有机电解质作为金属锂电池的电解质。这一构想一直左右了锂离子电池的发展。但是液态电解液存在一定的安全隐患，因此诸多科研机构和企业决定另辟蹊径去开发固态电解质技术。全固态电池将原先的液态有机电解池换成一种全新的固态电解质。固态电解质不仅能够保证原有的储电性能，还能防止枝晶问题的产生，而且更安全，更廉价。
锂金属电池则是近几年科学研究的另一个焦点。这是因为，锂嵌合物虽然解决了树枝状结晶等安全问题，但是由于嵌合物不具有得失电子的功能，因此电池容量大大降低。比如电池的金属锂负极的比容量是石墨锂化合物C6Li负极的11倍以上！如果锂金属充电电池能够研发成功，我们的电子设备会更加轻盈，电动汽车则会跑得更远！
目前，锂电池仍然存在着一些安全问题，比如部分手机厂商于对隔膜材料质量控制不严或者工艺缺陷，导致隔膜局部变薄，不能有效隔离正极与负极，从而造成了电池的安全问题。其次锂电池在充电过程中很容易发生短路情况。虽然，现在大多数锂离子电池都带有防短路的保护电路，还有防爆线，但很多情况下，这个保护电路在各种情况下不一定会起作用，防爆线能起的作用也很有限。因此，提高锂电池的安全性也是研究焦点。
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