锂离子电池简介及主要应用

锂离子电池简介

使用煤炭，石油和天然气的很长一段时间以来，都是以化石燃料为主要能源，这样的能源结构，使得环境污染严重，并且由此导致的全球变暖问题和生态环境恶化问题受到越来越多的关注。所以，可再生能源和新能源的发展成为在未来技术领域和未来经济世界的一个最具有决定性的影响。锂离子电池作为一种新的二次清洁，且可再生能源，其具有工作电压高，质量轻，能量密度大等优点，在电动工具，数码相机，手机，笔记本电脑等领域得到了广泛的应用，并且显示出强大的发展趋势。

锂离子电池的发展历史

第二十世纪六十、七十年代，几乎在锂电池是发明的同时，研究发现许多插层化合物可以与金属锂的可逆反应，构成锂电池[1]。早在第二十世纪七十年代提出了分层组织作为阴极的斯梯尔最有代表性的一种，金属锂作为阳极的Li-TiS2系统。

1976年Whittingham证实了系统的可靠性。随后，埃克森公司的Li-TiS2系统进行深入研究，并希望其商业化。但是，系统很快就暴露出许多致命的缺陷。首先，活性金属锂容易导致有机电解液的分解，导致电池内部压力。由于锂电极表面的表面电位分布不均匀，在锂金属的电荷将在锂沉积的阴极，产生锂“枝晶”。一方面会造成可逆嵌锂容量损失，另一方面，枝晶可以穿透隔膜和负极连接，造成电池内部短路，瞬间吸收大量的热，发生爆炸，导致严重的安全隐患。这一系列因素导致金属锂电池的循环性能和安全两差异，所以Li-TiS2系统未能实现商业化。

1980，阿尔芒首次提出摇椅电池的想法。使用低锂嵌入化合物锂化合物代替金属锂作为阳极，采用高嵌锂电位嵌锂化合物作正极。同年，在美国德州大学Goodenough教授的国家提出了一系列的锂过渡金属氧化物LixMO2（M=Co 、Ni 或Mn)为两电池正极材料锂。1987，奥邦成功组装了浓差电池MO2 (WO2)/LiPF6-PC/LiCoO2和证明“摇椅电池”的想法的可行性，但由于负电极材料形成LiMoO2 CLiWO2嵌入电位高(0.7-2.0 V vs.Li/Li+)嵌锂容量较低，并没有显示高电压的锂离子二次电池的优点，比容量高。

1987，日本的索尼公司使用锂嵌入焦炭(LiXC6)取代锂金属作为阳极，通过LixC6/LiC1O4+PC+EC/Li1-XMO2(M=Co, Ni, Mn)的电池系统，是可逆的嵌脱锂的碳材料为负极，同时保持高电压比在同一时间的能量，成功地解决了锂离子二次电池的循环寿命低的缺点，安全性能差。

纯锂离子电池的研究起步于80年代后期的1989，在第二十世纪，日本nagoura 等人。发展到锂离子电池的两倍阳极石油焦为正极、锂离子钴作为阴极。在同一年，公司正式推出市场的市场结构为C(焦炭)/LiPF6+PC+DEC/LiCoO2的第一代商用锂离子电池，并首次利用锂离子电池的概念。此后，在锂离子电池材料研究的不断深入和系统的研究，1997，索尼公司将石默坐正极的锂离子电池的商业化。由于锂离子电池的快速发展时代的到来，目前已在相机、手机、笔记本电脑、电动工具等小型二次电池市场占有最大份额，也在近几年电动汽车锂离子电池也得到了快速的发展。

在电池的发展史上，你可以看到这个世界电池工业的发展的三个特点，一是绿色环保电池的快速发展，包括锂离子电池，镍氢电池等；二是电池的转换，这是一个可持续发展策略；第三是光电池，进一步向小，薄的方向发展。在电池的商业化中，锂离子电池的比例是最高的，特别是聚合物锂离子电池，可实现薄形的充电电池。由于锂离子电池的体积小，能量高，质量轻，并且可以充电，无污染，具有电池行业的发展的三个主要特点，所以它在发达国家迅速增长。近年来，电子信息市场的发展，特别是移动电话和笔记本电脑的使用，为锂离子电池带来更多的市场机会。由于锂离子电池具有安全的独特优势，它将逐步取代传统电池成为主流。聚合物锂离子电池被称为二十一世纪的电池，这是一个锂离子电池的新时代，其发展前景非常乐观。

锂离子电池的组成

锂离子电池是由四部分组成，正极材料，正极材料，隔膜和电解液等。正极材料为锂离子电池提供锂离子,常见的有锰酸锂、钴酸锂和镍钴锰酸锂材料；负极材料在锂离子电池中的主要作用是储存锂离子，在电池的充放电中，实现锂离子的嵌入和脱嵌，主要是石墨；隔膜在锂离子电池中的作用是阻止电子在正负极之间自由穿梭，但是电解液中的离子可以自由通过，常见的材料为单层PP膜、PE膜

以及PP/PE/PP三层复合膜[2]，电解质在锂离子电池正负极之间的离子传导，目前使用最广泛的电解质LiPF6。

锂离子电池的工作原理

锂离子电池的工作原锂不同于一般电池的氧化-还原过程，而是Li+的嵌入-脱嵌过程，即锂离子可以可逆的从主体材料中嵌入或脱出。在充电和放电的两个阶段，Li+在正负两个不同电极间来回嵌入和脱嵌:充电池时，Li+先从正极实现脱嵌，通过电解质到达负极，在负极嵌入，此时，锂离子电池的负极实现富锂的状态;放电时的过程与充电时互为逆过程。锂离子电池的正极材料由一种嵌锂式化合物组成，如果有外界电场，正极材料中的Li+可以在电场的作用下从晶格中实现脱出和嵌入。

以LiCoO2为例，其电极与电池反应如下：

正极: LiCoO2 → xLi+ + Li1-xCoO2 + xe- (1)

负极: xe- + xLi+ + 6C → LixC6 (2)

电池: LiCoO2 + 6C ↔ Li1-xCoO2 + LixC6 (3)

锂离子电池的优缺点

1) 锂离子电池的优点[5]

（1）高电压开路电压通常为3.6 V，而镍氢电池和镍镉电池开路功率仅为1.2 V. （2）大容量，高能量和高储能密度，锂电池的核心价值，在相同的输出功率，对锂离子电池不仅比镍氢电池轻一半的重量，体积小20%。

（3）生命周期：锂离子电池的循环寿命很长，一般为1000倍，而镍氢和镍镉电池一般只有500次。

（4）放电率：锂离子电池充电快，只有1-2个小时的时间可以充电，达到最佳状态。同时，锂离子电池泄漏是不可多得的。而锂离子电池自放电率低，低于10%/月，远低20%的镍镉电池和镍氢电池30%。

（5）工作温度：锂离子电池的工作温度范围宽，在20℃-60℃温度下都可以使用。

（6）锂离子电池无记忆效应：锂离子电池可以充放电不充分而不降低其容量。