锂电池的基本信息

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1、郑州正方科技：郑州正方科技：一、一、 介绍介绍 在全球能源与环境问题越来越严峻的情况下，电动车、汽车等交通工具纷 纷改用储能电池为主要动力源，锂离子电池被认为是高容量、大功率电池的理 想之选。锂离子电池的研究始于 1990 年，日本 Nagoura 等人研制成以石油焦为 负极，以钴酸锂为正极的锂离子电池。由于锂离子电池具有电压高、比能量高、 充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小等优点，且安全性能好，使其在便 携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景， 成为近几年广为关注的研究热点。二、锂离子电池基础知识二、锂离子电池基础知识 锂是锂离子电池的核心，它是最轻的金属元

2、素，金属锂的比重只有水的一 半，铝是较轻的金属，锂的比重只有铝的五分之一。锂的电负性是所有金属中 最负的，锂离子的还原电位高达-3V。根据计算，1 克锂转化为锂离子时所能得 到的电荷数为 3860mAh，加之它的大于 3V 的工作电压，锂作为电池的负极材料 当之无愧轻量级的大力士。 早期负极为金属锂的“锂电池”但金属锂的化学 活性太大，充电时产生的枝晶会使电池短路，目前尚未真正解决其安全问题。 经过长期的探索、研究，发现锂可与许多金属形成合金，其活性要小许多，更 奇妙的是锂可以在许多层状结构的物质中可逆地嵌入和脱出。锂以这些材料为 载体就安全多了。2.12.1锂离子电池简介 正极采用锂化合物

3、LiXCoO2、LiXNiO2、LiFePO4 或 LiXMnO2 负极采用锂-碳层间化合物 LiXC6。 电解质为溶解有锂盐 LiPF6、LiAsF6 等有机溶液。 充电池时，此时正极上的电子从通过外部电路跑 到负极上，正锂离子 Li+从正极“跳进”电解液里“爬过”隔膜上弯弯曲曲 的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。Li+从正极脱嵌， 经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态。 放电有恒流放电和恒阻放电恒流 放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻恒阻放电的实 质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知只要负极上的电子不 能从负极跑到正极电池就不会放电。电

4、子和 Li+都是同时行动的方向相同 但路不同放电时电子从负极经过电子导体跑到正极锂离子 Li+从负极 “跳进”电解液里“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞“游泳”到达正极与 早就跑过来的电子结合在一起。 离子电池又称为“摇椅电池”是指以可供锂 离子嵌入脱嵌的物质作为正、负极的二次电池。电解质一般采用溶解有锂盐的 有机溶液电解质，根据所用电解质的状态，可分为液态锂离子电池、聚合物锂 离子电池和全固态锂离子电池。 2.2锂离子电池的工作原理 一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜 组成，外加正负极引线，安全阀，PTC，正温度控制端子，电池壳等。虽然锂 离子电池种类繁多但其工作原理大致相同。充电时锂离

5、子从正极材料中脱 嵌经过隔膜和电解液嵌入到负极材料中放电以相反过程进行。以典型的 液态锂离子为例，当以石墨为负极材料，以 LiCoO2 为正极材料时，其充放电原 理为 正极反应LiCoO2= Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 负极反应6C + xLi+ + xe- = LixC6 电池总反应LiCoO2 + 6C =Li1-xCoO2 + LixC6 放 电时发生上述反应的逆反应。 充电时Li+从 LiCoO2 中发生脱嵌释放一个电 子，C3+被氧化为 C4+，与此同时，Li+经过隔膜和电解液迁移到负极石墨表面， 进而插入到石墨结构中，石墨结构同时得到一个电子，形成锂碳层间化合物

6、LixC6，放电时过程则相反，Li+从石墨结构脱插，嵌入到正极 LiCoO2 中。2.32.3锂电池的负极枝晶效应 (Lithium Dendrides) 在充电的过程中Li+从 正极 LiCoO2 中脱出进入电解液在充电器附加的外电场作用下向负极移动， 依次进入石墨或焦炭 C 组成的负极，在那儿形成 LiC 化合物。如果充电速度过 快会使得 Li+来不及进入负极栅格在负极附近的电解液中就会聚集 Li+这 些靠近碳 C 负极的 Li+很可能从负极俘获一个电子成为金属 Li。持续的金属锂 生成会在负极附近堆积、长大成树枝状的晶体俗称枝晶。另一种情形随着 负极的充满程度越高LiC 晶格留下的空格越

7、少从正极移动过来的 Li+找到空 格的机会就困难，时间就越长。如果充电速度不变的话一样可能在负极表面 形成局部的 Li+堆积。因此，在充电的后半段必须逐步缩小充电电流。 枝晶的 长大会刺破正负级之间的隔膜，形成短路。可以想象，充电的速度越快越危险 充电终止的电压越高也就越危险充电的时间越长也越危险。锂离子电池的 电压过高或者过低都会造成严重问题三、锂离子电池的研究现状三、锂离子电池的研究现状 锂离子电池自问世以来由于其优异的的电性能而得到了广泛的应用。但它 的发展远没有停止，主要是锂离子电池存在如下缺点， (1)安全性需进一步提 高。由于锂离子电池的电解质使用易燃的有机溶剂和具有腐蚀性的电解质

8、盐 过充电时电解液易在高氧化态的正极材料表面发生反应产生可燃性气体内压 升高 电池发生胀气、漏液等现象造成用电器的腐蚀和损坏;放电时负极表 面易形成锂枝晶刺穿隔膜引起电池内部短路使电池内部温度急剧升高而发生 爆炸。 (2)电池成本高。主要包括广泛采用的 LiCoO2 正极材料价格高电解 质体系的提纯困难发展新一代的电解质已经是业内人士共同呼吁的。 (3)大 电流充放电不适合现有电动工具使用。由于采用有机电解质体系电池内阻大 一般放电电流为 0.5mA cm-2最大为 24mA cm-2 只适用于中小电流的用电 器使用。目前全世界的科技和工业界都在努力发展锂离子电池及相关技术不 断开发新产品扩大市场范围不断研究新型锂离子电池材料提高电池性能 及降低电池成本。 (4)现有的锂离子电池的比能量过低无法达到纯电动车的 应用要求。目前行业实际商业化应用的锂离子电池的比能量只有 100Wh/kg 左右 如此低的比能量导致为了达到电动车的行程要求电池的重量达到 1 吨 如 2011 年在杭州试点的纯电动车其使用的电池是众泰控股和海马汽车公司生产的磷酸铁锂电池每部车配备的电池重量达到 1 吨这就造成了行程中有一 半的能量实际上是背着电池在运行。