锂离子电池发展史及其基本概念

电池发展史
• 如今，干电池已经发展成为一个庞大的家族，种类达100 多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁锰干电池等。不过，最早发明的碳锌电池依然是现代干电 池中产量最大的电池。在干电池技术的不断发展过程中， 新的问题又出现了。人们发现，干电池尽管使用方便、价 格低廉，但用完即废，无法重新利用。另外，由于以金属 为原料容易造成原材料浪费，废弃电池还会造成环境污染 。于是，能够经过多次充电放电循环，反复使用的蓄电池 成为新的方向。
电池发展史
• • • • • • • • • • 1956年Energizer.制造第一个9伏电池 1956年我国建设第一个镍镉电池工厂（风云器材厂（755厂）） 1960前后Union Carbide.商业化生产碱性电池，我国开始研究碱性 电池（西安庆华厂等三 家合作研发） 1970前后出现免维护铅酸电池. 1970前后一次锂电池实用化. 1976年Philips Research的科学家发明镍氢电池. 1980前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金. 1983年我国开始研究镍氢电池（南开大学） 1987年我国改进镍镉电池工艺，采用发泡镍，电池容量提升40％ 1987前我国商业化生产一次锂电池
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锂离子电池性能参数指标
• 放电平台时间 放电平台时间是指在电池满电情况下放电至某电压的放电 时间。例对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒压 充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.02C时停止充电即充 满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至 3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间。 因某些使用锂离子电池的用电器的工作电压都有电压要求 ，如果低于要求值，则会出现无法工作的情况。所以放电平 台是衡量电池性能好坏的重要标准之一。
锂离子电池原理探讨
当对电池进行充电时，正极的含锂化合物 有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。 负极的炭材料呈层状结构，它有很多微孔，到 达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的 锂离子越多，充电容量越高。 当对电池进行放电时（即我们使用电池的 过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运 动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越 高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容 量。 在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从 正极→负极→正极的运动状态。这就像一把摇 椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在 摇椅两端来回运动。所以锂离子电池又叫摇椅 式电池。
课程：锂离子电池发展史及基本概念 主讲： 时间：
2011年培训教程
锂离子电池基础知识
目录
一、电池发展史 二、锂离子电池原理探讨 三、锂离子电池性能指标涵义 四、锂离子电池对其他电池的比较
电池发展史
• 电池的诞生 电池的诞生，基于人们对于获取持续而稳定的 电流的需要。不过，电池的发明，是来源于一次 青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然。 1780年的一天，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的 金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙 腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺 激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无 此种反应。伽伐尼认为，出现这种现像是因为动 物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电” 。
锂离子电池ຫໍສະໝຸດ Baidu能参数指标
• 电池内阻 电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧 姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻值大，会导致电池放电工作 电压降低，放电时间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、 电池结构等因素的影响。电池内阻是衡量电池性能的一个重要参数。 • 电池的容量 电池的容量有额定容量和实际容量之分。电池的额定容量是指电池在 环境温度为20℃±5℃条件下，以5h率放电至终止电压时所应提供的 电量，用C5表示。电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放 出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容 量应指明充放电条件）。 容量单位：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。
电池发展史
• • • • • • • • • • 1989年我国镍氢电池研究列入国家计划 1990前出现角型（口香糖型）电池， 1990前后镍氢电池商业化生产. 1991年Sony.可充电锂离子电池商业化生产 1992年Karl Kordesch, Josef Gsellmann and Klaus Tomantschger 取得碱性充电电池 专利 1992年Battery Technologies, Inc.生产碱性充电电池 1995年我国镍氢电池商业化生产初具规模 1999年可充电锂聚合物电池商业化生产 2000年我国锂离子电池商业化生产 2000后燃料电池，太阳能电池、磷酸铁锂电池成为全世界瞩目的 新能源发展问题的焦点，中南大学处于国内领先地位
锂离子电池原理探讨
• 锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段（指 示灯呈红色）和恒压电流递减阶段（指示灯呈黄色）。 • 锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度 放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过 程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极 碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。 • 锂离子电池保持性能最佳的充放电方式为浅充浅放。一般 60%DOD是100%DOD条件下循环寿命的2~4倍。
电池发展史
• 进入20世纪后，电池理论和技术一度处于停滞状态 ，但在二次世界大战之后，随着一些基础研究在理 论上取得突破、新型电极材料的开发和各类用电器 具日新月异的发展，电池技术又进入了一个快速发 展的时期，科学家首先发展了碱性锌锰电池。进入 80年代，科学技术发展越发迅速，对化学电源的要 求也日益增多、增高。如集成电路的发展，要求化 学电源必须小型化；电子器械、医疗器械和家用电 器的普及不仅要求化学电源体积小，而且还要求能 量密度高、密封性和贮存性能好、电压精度高。因 此电池池的研究重点转向蓄电池，1988年，镍镉电 池实现商品化。1992年，锂离子电池实现商品化， 1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。
锂离子电池性能参数指标
• 开路电压和工作电压 开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流 过时，电池正负极之间的电势差。一般情况下，锂离子 电池充满电后开路电压为4.1—4.2V左右，放电后开路电 压为3.0V左右。通过对电池的开路电压的检测，可以判 断电池的荷电状态。 工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路 中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电 工作状态下，当电流流过电池内部时，不需克服电池的 内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电 时则与之相反。锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右
电池发展史
• 1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良 ，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池 ”等问世。然而在当时，无论哪种电池都需在两个金 属板之间灌装液体，搬运很不方便，特别是蓄电池所 用液体是硫酸，在挪动时很危险。
电池发展史
• 干电池的诞生 干电池在19世纪中后期诞生。法国的雷克兰 (George Leclanche)在1860年发明一种新型电池。它 的负极是锌和汞的合金棒(锌－伏特原型电池的负极， 经证明是作为负极材料的最佳金属之一)，而它的正极 是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混 合物。在此混合物中插有一根碳棒作为电流收集器。 负极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中 。此系统被称为“湿电池”。雷克兰士制造的电池虽 然简陋但却便宜，到1880年，这种电池被改进的“干 电池”取代。负极被改进成锌罐（即电池的外壳）， 电解液变为糊状而非液体，基本上这就是现在我们所 熟知的碳锌电池。
电池发展史
• 事实上，蓄电池的最早出现时间同样可以追溯到 1860年。当年，法国人普朗泰（Gaston Plante ）发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之 处是，当电池使用一段时间电压下降时，可以给 它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电 池能充电，并可反复使用，所以称它为“蓄电池 ”。 • 1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，1910 年可充电的铁镍电池商业化生产。
锂离子电池原理探讨
• 锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。 所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。举例来讲 ，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂 电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是 锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电.这种 电池也可以充电,但循环性能不好,在充放电循环过 程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一 般情况下这种电池是禁止充电的。例CR2025即 锂电池。 • 后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以 含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中 ，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子 电池。
电池发展史
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1890年Thomas Edison 发明可充电的铁镍电池 1896年在美国批量生产干电池 1896年发明D型电池. 1899年Waldmar Jungner 发明镍镉电池. 1910年可充电的铁镍电池商业化生产 1911年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部 电池厂） 1914年Thomas Edison 发明碱性电池. 1934年Schlecht and Akermann 发明镍镉电池烧结极板. 1947年Neumann 开发出密封镍镉电池. 1949年Lew Urry (Energizer) 开发出小型碱性电池. 1954年Gerald Pearson, Calvin Fuller and Daryl Chapin 开发出太阳能电池.
锂离子电池原理探讨
锂离子电池的结构：钢壳、铝壳、圆柱、软包。
（1）正极——活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、镍钴 锰酸锂（即三元系），导电集流体使用厚度10--20微米的铝箔； （2）隔膜——一种特殊的三层塑料复合膜，可以让锂离子通过，但却是 电子的绝缘体。还有一类无机固体膈膜，目前我们使用的膈膜涂层就 是一种无机固体膈膜，； （3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳材料，导电集流体 使用厚度7-15微米的铜箔； （4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使 用凝胶状电解液（同时具备电解液和隔膜作用）； （5）电池外壳——分为钢壳、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑 膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端
锂离子电池原理探讨
• 电池——化学能转换为电能的装置 • 电池为什么有电？ 在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内 部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分 别在两个电极上进行。负极活性物质由电位较负并在电 解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和 氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并在电解 质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化 镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及 其盐类等。两个电位之差就表现为电压。 电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱 、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电 解质等。
电池发展史
• 伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们 竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的 方法。而意大利物理学家伏特（Alessandro Volta） 在多次实验后则认为：青蛙的肌肉之所以能产生电 流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自 己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液 中进行试验。结果发现，这两种金属片中，只要有 一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产 生电流。1799年，伏特成功制成了世界上第一个电 池“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串 联的电池组。
锂离子电池原理探讨
当外电路断开时，两极之间虽然有电位差(开 路电压)，但没有电流，存储在电池中的化学能并 不转换为电能。当外电路闭合时，在两电极电位 差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内 部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递 必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还 原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。