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锂离子电池的诞生及研制过程

锂离子电池是继镍氢电池后研发的一种新型二次电池。锂位于元素周期表中第一族主族的第一位,是金属中最轻的元素,有最负的标准电位,组成的电池能量密度大、电压高。 1962年Boston电化学会上最初提出锂非水性二次电池,这因为锂同水容易发生析氢反应, 必须使用不能被锂还原的非水溶剂,即使用非质子性的稳定溶剂。后来随着嵌入化合物化学的发展,1976年开始研究锂对石墨的电化学嵌入,1980年开始研究LiCoO2和LiNiO2层状化合物,同年意大利科学家提出了嵌入离子的摇椅概念。终于在20世纪90年代初,Sony公司采用碳材料作负电极、锂钴氧化物作正电极和含锂盐的有机溶剂为电解质,开发出了第一代锂二次电池,即锂离子电池或摇椅电池。这种电池充电时锂离子从正极脱出而嵌人负 极,放电时过程相反,锂离子从负极脱出嵌人正极。这种电池的工作模式是锂离子在正、负电极中作摇椅式来冋运动。

锂离子电池的负极电位相对锂电极为正,正极电位为4.0V。该电池的丁作电压高,约为3.6V。高电压是锂离子电池最主要的优点,一个锂离子电池的端电压相当于3个镍氢电池或镉镍电池串联后的端电压,但对于便携式设备的应用来说这是个缺点,因为笔记本电脑的芯片、手机芯片的电源电压趋于下降,这将挑战3.6V锂离子电池的应用。锂离子电池有较高的比能为镍氢电池的1.5倍和铅酸电池的3倍,放电曲线平稳,A放电率低,循环 寿命长,弓镍氢电池一样,无记忆效应,无污染,也被称为绿色电池。

锂离子电池采用卷绕式结构,盖体设计复杂,功能性多,强化了安全保护。这种高比能 量电池必须经过规范的安全检测评估。镍氢和镉镍电池的电解液是水溶液,而锂离子电池必 须用非水性电解液,其电导率低得多,因此电极要大大减薄,制备又薄又长的正负电极,要有着不同的电极制备工艺。锂离子电池同样有圆柱式、扁平式、纽扣式和动力用电池组等类型。Sony公司生产的14500电池的容量为500mAh,尺寸为14。3mmX50。4mm,重量为 19g;18650电池的容量为1350mAh,尺寸为18。 4mmX64。 9mm,重量为40g。

锂离子电池能够很好地配合电子产品小型化、袖珍化的发展方向。以满足手机和笔记木 电脑又薄又轻的要求,三洋超薄电池的厚度仅为4mm,重量比能量为160Wh/kg,体积比能量为360Wh/L。

最近发展的聚合物锂离子电池被称为第二代锂离子电池,由于采用导电聚合物电解质和特別的流延工艺.容易制备特別薄的和不同形状的电池。美国和日本先后宣布开始聚合物锂 离子电池的生产。松下公司生产的聚合物锂离子电池的容量为600mAh,尺寸为3. 6mmX 35mmX62mm (扁平式),重量为15g。

用LiCoO2复合金属氧化物在铝板上形成阳极,用锂碳化合物在铜板上形成阴极,极板间插入带有亚微米级微孔的聚烯烃薄膜隔板,电解液为有机溶剂。为避免因使用不当而造成电池损坏,在锂离子电池内设有以下3种安全机构:

正温度系数元件(PTC)。当电池内的温度过高时,PTC的阻值随之上升.会自动将阴极引线与阴极之间的电路切断。

特殊材料的隔板。当电池内温度上升到一定数值时,隔板上的微孔会自动溶解掉,从而使电池内的反应停止。

安全阀。当电池内部压力升高到一定数值时,安全阀将向动打开。

锂离子电池易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率(蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示,C为蓄电池的额定容量,例如用2A电流对lAh电池充电,充电速率就是2C;同样地,用2A电流对500mAh电池充电,充电速率就是4C)通常不超过1C,最低放电电压为2。7〜3。0V,如再继续放电,则会损坏电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1C充电速率充电至4。1V时,充电器应立即转入恒压充电,充电电流逐渐减小;当电池充足电后,进人涓流充电过程。为避免过充电或过放电,锂离子电池不仅在内部设有安全机构,充电器也必须采取安全保护措施,以监测锂离子电池的充放电状态。

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