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鋰電池的原理和應用
一、鋰電池的發(fā)展簡介
■20世紀70年代末，以金屬鋰為負極，氧化鉬、氧化釩為正極的鋰蓄電池以研發(fā)成功；
■80年代中后期，以聚氧化乙烯（PEO)等導電聚合物為電解質膜的鋰二次電池也研發(fā)成功。但由于安全可靠性及電壓體系等種種原因未能投入商業(yè)市場； ■1991年日本索尼公司首次推出的以碳材為負極，以鈷酸鋰材料為正極的二次鋰電池。由于他有金屬鋰，成為鋰離子電池，成功的解決的鋰電池的安全可靠性問題，立即的被市場接受并成為筆記本和手機等IT產業(yè)的電池。初期的鋰離子代表的產品有18650圓柱型電池，標稱容量為1800mah；
■90年代中后期，手機采用3.6V系統(tǒng)，并且已經實現了小型化。要求減少電池的厚度和體積，出現了方形電池。電池厚度變化從10mm減薄至5mm。現在已經有3.5mm的鋁殼手機問世；
■1999年，日本索尼等四家公司幾乎同時推出用鋁塑薄膜最為外殼包裝的聚合物鋰離子電池。當時電池尺寸為305062，容量為550mah。經過幾年的研究，集合物鋰離子電池其厚度可以從1mm到10mm,容量可以從40mah到5000mah; ■方形聚合物鋰離子電池在2000年開始出現批量生產，初期年產量為1100萬顆，預計至2005年的年產量可達到2.3億萬顆，年均增長率為79%，預計液態(tài)鋰離子電池的年產量為5億只。電池尺寸厚度變薄同時電池重量比能量也大幅度增長，從130wh/kg增加到150wh/kg;現在世界上的聚合物鋰離子電池的重量比能量已提升到180wh/kg左右的水平，比液態(tài)鋰離子電池高出10%以上。
二、鋰離子電池的工作原理及其結構
1、工作原理
鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時，Li+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負極，保證負極的電荷平衡。放電時則相反，Li+從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)。在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結構第一文庫網氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間的距變化，不破壞晶體結構，在充放電過程中，負極材料的化學結構基本不變。因此，從充放電的可逆性來看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆性反應。
2、鋰離子電池結構：
■正極：預先鋰化的過渡金屬氧化物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰等 ■負極：具有特殊結構的碳材，如軟碳，硬碳石墨和石墨化碳纖維等
■電解液：有機溶劑和鋰鹽的溶液，例如 PC（碳酸丙稀酯）、EC（碳酸乙烯酯）、DMC（二甲基碳酸）、DEC（二乙基碳酸）、1MLiPF6電導率為6.79MS/cm,水含量為ppm.HF量8ppm
■隔膜：多孔聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）膜
■包裝材料：鋁塑復合膜
三、鋰離子電池性能
■電性能
（一）、電壓
1、開路電壓：電池與外電路沒有接通時，即沒有電流流過電極之間的電位差，等于正極電位和負極電位之間的差值。如鋰離子電池的開路電壓為4.1V，鉛酸蓄電池為2.1V。
2、工作電壓：又稱放電電壓或負載電壓，是指電池對外輸出電流時，電池兩極間的電位差。工作電壓總是低于開路電壓。
3、終止電壓：電壓充放電時，電壓上升或下降到某數值時，電池不宜在繼續(xù)充電或放點的工作電壓。一般在充電時。終止電壓為4.2V，放電時為3.0V或
2.75V。
（二）、容量
電池容量是電池對用電器輸出的電量。單位為mAh或Ah。容量大小是由正負極中活性物質的數量來決定的。
1、額定容量：在設計和制造電池時，規(guī)定電池在一定放電電條件下應該放出的最低限度的電量。
2、比容量：為了對不同的電池進行比較，引入比容量概念。比容量是指單位質量或單位體積電池所給出額容量，成為質量比容量或體積比容量。
3、影響電池容量的因素：
a、電池的放電速度（通常以電流強度mA來表示）：電流越大輸出容量減少；
b、電池的放電溫度：溫度降低，輸出容量減小
c、電池放電終止電壓：是由用電器和電池反應本身的限定來設定的，例如：充電時，終止電壓為4.2V，放電時為3.0V或2.75V。
d、電池的貯存時間：電池經過長時間貯存后，電池的放電容量會相應減少。
（三）、內阻
電池內阻包括歐姆電阻（RΩ）和電極在電化學反應時所表現的極化電阻（Rf)。歐姆電阻、極化電阻之和為電池的內阻（Ri)。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔電阻及各部分零件的接觸電阻組成。隔膜電阻是當電流流過電解液時，隔膜有效微孔中電解液所產生的電阻（RM ）。
（四）、能量和比能量
電池在一定條件下對外做功所輸出的的電能叫電池的能量，單位一般用wh表示。
1、理論能量
電池的放電過程處于平衡狀態(tài)，放電電壓保持電動勢（E）數值，且活性物質利用率為100%，在此條件下電池的輸出能量為理論能量（W0),即可逆電池在恒溫恒壓下所做的最大膨脹功（W0=C0E）。
2、實際能量
電池放電時實際輸出的能量成為實際能量
3、比能量
單位質量和單位體積的電池所給出的能量，稱質量比能量或體積比能量，也稱能量密度。比能量的單位為wh/kg或wh/L.
四、鋰電池的應用
■聚合物鋰離子電池的典型應用主要有移動電話、筆記本電腦、手持電腦、個人數學助理（PDA）、MP3、智能卡、手表、耳機、DVD和VCD播放器、HEVs等。
五、國內外鋰離子電池生產情況
近年來，隨著電子產品向小型化、微型化的迅速發(fā)展，對電池產品提出了更高的要求。由于鋰離子電池優(yōu)良的綜合性能適應了這種要求，所有鋰離子電池的增長勢頭非常迅猛。
從世界范圍來講，主要的發(fā)達國家都在生產和壓法新型鋰離子電池，其中日本占主要地位。近幾年來中國鋰離子電池發(fā)展也異常迅速，年產量已經超過了一億顆以上，再過幾年就就可能超過日本，成為鋰離子電池生產大國。
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