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鋰電池的原理和應(yīng)用
一、鋰電池的發(fā)展簡介
■20世紀(jì)70年代末，以金屬鋰為負(fù)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(dǎo)電聚合物為電解質(zhì)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(chǎng)； ■1991年日本索尼公司首次推出的以碳材為負(fù)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(chǎng)接受并成為筆記本和手機(jī)等IT產(chǎn)業(yè)的電池。初期的鋰離子代表的產(chǎn)品有18650圓柱型電池，標(biāo)稱容量為1800mah；
■90年代中后期，手機(jī)采用3.6V系統(tǒng)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小型化。要求減少電池的厚度和體積，出現(xiàn)了方形電池。電池厚度變化從10mm減薄至5mm�，F(xiàn)在已經(jīng)有3.5mm的鋁殼手機(jī)問世；
■1999年，日本索尼等四家公司幾乎同時(shí)推出用鋁塑薄膜最為外殼包裝的聚合物鋰離子電池。當(dāng)時(shí)電池尺寸為305062，容量為550mah。經(jīng)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(xiàn)批量生產(chǎn)，初期年產(chǎn)量為1100萬顆，預(yù)計(jì)至2005年的年產(chǎn)量可達(dá)到2.3億萬顆，年均增長率為79%，預(yù)計(jì)液態(tài)鋰離子電池的年產(chǎn)量為5億只。電池尺寸厚度變薄同時(shí)電池重量比能量也大幅度增長，從130wh/kg增加到150wh/kg;現(xiàn)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(jié)構(gòu)
1、工作原理
鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡。放電時(shí)則相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)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(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)第一文庫網(wǎng)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(jié)構(gòu)，在充放電過程中，負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。因此，從充放電的可逆性來看，鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆性反應(yīng)。
2、鋰離子電池結(jié)構(gòu)：
■正極：預(yù)先鋰化的過渡金屬氧化物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰等 ■負(fù)極：具有特殊結(jié)構(gòu)的碳材，如軟碳，硬碳石墨和石墨化碳纖維等
■電解液：有機(jī)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(dǎo)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(fù)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(shí)，即沒有電流流過電極之間的電位差，等于正極電位和負(fù)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(fù)載電壓，是指電池對(duì)外輸出電流時(shí)，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(shí)，電壓上升或下降到某數(shù)值時(shí)，電池不宜在繼續(xù)充電或放點(diǎn)的工作電壓。一般在充電時(shí)。終止電壓為4.2V，放電時(shí)為3.0V或
2.75V。
（二）、容量
電池容量是電池對(duì)用電器輸出的電量。單位為mAh或Ah。容量大小是由正負(fù)極中活性物質(zhì)的數(shù)量來決定的。
1、額定容量：在設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定電池在一定放電電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量。
2、比容量：為了對(duì)不同的電池進(jìn)行比較，引入比容量概念。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積電池所給出額容量，成為質(zhì)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(qiáng)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(yīng)本身的限定來設(shè)定的，例如：充電時(shí)，終止電壓為4.2V，放電時(shí)為3.0V或2.75V。
d、電池的貯存時(shí)間：電池經(jīng)過長時(shí)間貯存后，電池的放電容量會(huì)相應(yīng)減少。
（三）、內(nèi)阻
電池內(nèi)阻包括歐姆電阻（RΩ）和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)的極化電阻（Rf)。歐姆電阻、極化電阻之和為電池的內(nèi)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(dāng)電流流過電解液時(shí)，隔膜有效微孔中電解液所產(chǎn)生的電阻（RM ）。
（四）、能量和比能量
電池在一定條件下對(duì)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(dòng)勢(shì)（E）數(shù)值，且活性物質(zhì)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(shí)際能量
電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量成為實(shí)際能量
3、比能量
單位質(zhì)量和單位體積的電池所給出的能量，稱質(zhì)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(yīng)用
■聚合物鋰離子電池的典型應(yīng)用主要有移動(dòng)電話、筆記本電腦、手持電腦、個(gè)人數(shù)學(xué)助理（PDA）、MP3、智能卡、手表、耳機(jī)、DVD和VCD播放器、HEVs等。
五、國內(nèi)外鋰離子電池生產(chǎn)情況
近年來，隨著電子產(chǎn)品向小型化、微型化的迅速發(fā)展，對(duì)電池產(chǎn)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(yīng)了這種要求，所有鋰離子電池的增長勢(shì)頭非常迅猛。
從世界范圍來講，主要的發(fā)達(dá)國家都在生產(chǎn)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(chǎn)量已經(jīng)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(chǎn)大國。
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