锂离子电池的原理与应用

自从1958年美国加州大学的一位研究生提出了锂、钠等活泼金属做电池负极的设想后，人类开始了对锂电池的研究。而从1971年日本松下公司的福田雅太郎发明锂氟化碳电池并使锂电池实现应用化商品化开始，锂电池便以其比能量高,电池电压高，工作温度范围宽，储存寿命长等优点，广泛应用于特种和民用小型电器中，如移动电话、笔记本电脑、摄像机、照相机等。

一、锂离子电池的结构与工作原理

所谓锂离子电池实际上是一种锂离子浓度差电池，正负两极由两种锂离子嵌入化合物组成。充电时，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡，放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经电解质嵌入正极（这种循环被形象的称为摇椅式机制）。在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物层间嵌入嵌出，因为过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2中低自旋配合物多，晶格体积小，在锂离子嵌入脱嵌时，晶格膨胀收缩性小，结晶结构稳定，因此循环性能好，而且充放电过程中，负极材料化学结构基本不变，因此从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆过程。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。

◎当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。

◎作为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxpyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。

◎电解质采用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剂体系。

◎隔膜采用聚烯微多孔膜如pE、pp或它们复合膜，尤其是pp/pE/pp三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。

◎外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。

二、锂离子电池的种类

根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithiumionbattery,简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymerlithiumionbattery,简称为LIp)两大类。

液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜作集流体。它们的主要区别在于电解质的不同,锂离子电池使用的是液体电解质,而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。

由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会像液体电解液泄露，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄。也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50%以上。此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比液态锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。

三、锂离子电池的应用及前景

了解了锂离子电池的原理之后，下面我们来看一下锂离子电池的应用：

锂离子电池的一个应用方向是电动汽车。进入20世纪80年代，由于工业的发展，汽车产量剧增，大气污染成分的63%来自燃油汽车，为了根治汽车尾气对环境造成的污染，电动汽车及电动汽车电池的开发研究成为国内外汽车行业发展的新热点，而目前电动汽车商品化的难题主要是电池性能满足不了要求，而且价格高，体积大，质量大，而锂离子电池由于具有比能量高，自放电小，循环寿命长，无记忆效应和对环境污染小等优点，成为实现中期目标的电动汽车动力电池之一，1997年7月，美国试验的NissanAltraEV配备了songLA4LB（94Ah,28.8V，90WHkg-1，30㎏）锂离子电池，并于1998年推向加州市场，1997年10月，法国推出了欧洲第一辆使用锂离子电池的电动汽车peugeot106EV。目前，在锂离子动力电池研究方面领先的厂商有日本Song、德国Varta和法国Saft，而未来，具更高能量的聚合物锂离子电池（pLIB）将成为远期目标的电动车用锂离子电池。

而锂离子电池的主要应用领域为便携电子产品，如手机、笔记本电脑。目前，移动电话和笔记本电脑两个领域的液态锂离子电池（LIB）用量已占全世界锂离子电池市场的90%，1999年，全世界的移动电话有42%使用LIB电池，笔记本电脑有67%使用LIB电池，据估算，到2010年，移动电话和笔记本电脑所用的电池中LIB电池和pLIB电池将会占有71%的市场。中国1999年底，已有移动电话用户4600万人，占全国人口的4%，手机拥有量名列世界第三位，到2001年，中国拥有手机的数量已占全国人口的10%，而发达国家移动电话用户已达30%，可见，中国具有巨大的锂离子电池潜在市场，2001年，全球锂电池用量已达6.65亿只，其中，诺基亚、摩托罗拉、爱立信三大厂商共销售锂电池2.1亿只，日本锂电池产值，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产厂家，可以说，随着手机和笔记本电脑的普及，锂离子电池已经与我们实现了零距离，而我们越来越关心的是如何判断电池性能的好坏，及如何去保养电池，下面简单谈一下这两个问题：

电池性能一般通过以下几个方面来评价：

（1）容量：容量是指在一定放电条件下，可以从电池获得的电量，即电流对时间的积分，一般用mAh或Ah来表示，它直接影响电池的最大工作电流和工作时间。

（2）放电特性和内阻：放电特性是指电池在一定的放电制度下，其工作电压的平稳性，电压平台的高低以及电流放电性能等，它表明电池带负载能力。

（3）贮存性能：贮存一段时间后，电池会因某些因素的影响使性能发生变化，导致电池自放电，电解液泄漏，电池短路等。

（4）循环寿命：指电池按照一定的制度进行充放电，性能衰减到某一程度时的循环次数。

（5）内压和耐过充电性能：如果电池内部压力达不到平衡或平衡压力过高，就会使限位装置开启而引起电池泄气或漏液，从而导致电池失效，如果限压装置失败，则有可能引起电池壳体开裂或爆炸。

国际上规定了非常严格的标准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应满足以下条件：

（1）短路：不起火，不爆炸

（2）过充电：不起火、不爆炸

（3）热箱试验：不起火，不爆炸（150℃恒温10min）

（4）针刺：不爆炸（用Ф3㎜针穿透电池）

（5）平板冲击：不起火，不爆炸（10㎏重物自1m高处砸向电池）

（6）焚烧：不爆炸（煤气火焰烧烤电池）

综上所述，锂离子电池自上世纪初产业化以来，一直处于快速发展的趋势之中。目前锂离子电池已被广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、数码相机等便携式产品，同时其作为动力电池的基本条件已经具备，正在向电动自行车、摩托车及汽车等方向发展。可见，锂离子电池的市场前景和容量均较为广阔，根据新材料在线的预测，全球锂电池的需求将保持年均10%左右的增长速度，我国的锂离子电池需求量也将保持快速增长趋势。因此对于众多锂离子电池生厂家来说，进一步改善其设计及提高其性能，尽早设计出安全实用、质量优异的产品，就能更早的在市场中占据领先地位，抢占商机。