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1、锂离子电池一、电池从1799年伏打发明了伏打电池(Volta cell)至今，化学电源已有200多年的发 展历史。1859年普兰特(Plante)发明的铅酸蓄电池，是世界上第一个可充电的电 池;1895年琼格(hunger)发明了镍镉蓄电池。由于镉的毒性和镍镉电池的记忆效 应，被随之发展起来的镍氢电池(MH-Ni)部分取代。在200余年的发展过程中， 科学家们研究过多种不同的电池，但能够真正在生活中使用的电池只有一小部 分。随着人们对电池结构、制作工艺和电极材料等方面的改进，化学电源得到了 长足的发展，新型电池推出换代从以前的几十年达到现在的十几年甚至几年一代 的速度。锂离子电池的研究始于19
2、90年日本研制成出以石油焦为负极，以钻酸 锂为正极的锂离子电池;同年日本 Sony 和加拿大 Modi 两大电池公司宣称将推出 以碳为负极的锂离子电池，宣布了锂离子二次电池工业化的开始。1. 什么叫电池？电池即一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负 极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时， 通过转换其内部的化学能来提供电能。目前的电池通常分为两类:一次电池或原电池;二次电池或蓄电池。前者基本 上只能放电一次，放电结束后，不能再使用。后者则是放电结束后，可以进行充 电，然后又可以进行放电，反复使用多次。2. 一次电池与二次电池的区别？一次电池是
3、指只能进行一次的完全放电的电池；二次电池则是可反复充放电 循环使用，放电时通过化学反应可以产生电能，通以反向电流（充电）时则可使体 系回复到原来状态，即将电能以化学能形式重新储存起来，电极体积和结构之间 发生可逆变化。一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般二次电池，但内阻远比二次 电池大，因此负载能力较低。一次电池价格便宜，使用过程轻松无须维护，寿命 终了时输出能力不会陡然下降。但是放电电压特性较软因其内阻相对较大 ,也导 致其输出大电流的能力不及二次电池，用掉即扔却不环保 ,单只价廉常用却不及 用蓄电池经济。可充电电池的优点是使用寿命长，它们有些可充放电 1000 多次， 即使价格比一次
4、电池要贵，但从长期使用的观点来看，则很经济实惠，而且可充 电电池的负荷力要比绝大部分一次电池高。二次电池可以制成各种大小或型号的电池，例如小型电池有手表或计算器等 用电池，也有电站用于电网负荷调节的大型电池。电池市场也非常广大，例如 1991 年世界电池产值为 210 亿美元，其中 40%为原电池，60%为充放电电池。 当然，其市场目前正在迅速发展。3. 一、二次电池的种类？一次电池主要包括锌锰电池、锌银电池、锌空（气）电池和锂一次电池等。由于各种型号的原电池氧化还原反应的可逆性很差，放完电后，不能重复使用，故又称一次电池。其广泛用于工农业、国防工业和通信、照明、医疗等部门， 并成为日常生活中
5、收音机、录音机、照相机、计算器、电子表、玩具、助听器等 常用电器的电源。原电池按负极活性物质（如锌、镉、镁、锂等）和正极活性物质（如锰、汞、 二氧化硫、氟化碳等）分为锌锰电池、锌空气电池、锌银电池、锌汞电池、镁锰 电池、锂氟化碳电池、锂二氧化硫电池等。锌锰电池产量最大，常按电解质分为 氯化铵型和氯化锌型，并按其隔离层分为糊式电池和低极电池。以氢氧化钾为电 解质的锌锰电池，由于其负极 （锌）的构造与其他锌锰电池不同而习惯上另作一 类，称为碱性锌锰电池，简称碱锰电池，俗称碱性电池。二次电池主要包括铅酸蓄电池、镉镍电池；氢镍电池；锂离子电池等。铅酸蓄电池:铅酸蓄电池是指电极由铅及其氧化物制成，电解液
6、是硫酸溶液 的一种蓄电池。它是日前世界上广泛使用的一种化学电源，具有电压平稳、安全 可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优点，是世界 上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池。日前在各类电池中占 30%左右的 比例，在一次电池中更是占到了 70%以上的市场份额。过去生产主要集中在西欧、 美国、日本等地区，由于竞争激烈和环保原因，近年来欧美铅酸电池厂合并趋势 加强，世界范围内的产业转移和企业整合现象明显，生产集中度进一步提高，中 国、巴西、墨西哥等国家和地区日前成为主要生产地。铅酸电池除了存在污染、 循环寿命短等问题，别的方面优势很明显，尤其是价格方面，预计未来3-5 年仍
7、 然会占有很大的市场份额，尤其是在发展中国家。镍镉电池:它是由两个极板组成，一个是用镍做的，另一个是镉做的，这两 种金属在电池中发生可逆反应，因此电池可以重新充电。镍镉电池的优点是结实、 价格便宜。缺点是镉金属对环境有污染，电池容量小，寿命短，所以镍镉电池是 最低档的电池，有记忆效应，每次充电都须先放电，否则它的记忆功能将大大降 低乎机的充电量，只有将电池中的余电放净后再进行充电才能保持电池的充电 量。由于镉的毒性和镉镍电池的记忆效应，镍镉电池被随之发展起来的镍氢电池 部分取代，但在便携式电动工具方面，镍镉电池中的SC型、C型、D型电池仍 为首选。目前，日本等发达国家出于降低成本和环保考虑，己
8、将生产转移到国外， 我国己经成为世界镍镉电池的主要生产基地。但由于国内环保也在日益重视，国 家对镍镉电池生产有很大限制，出口退税也全部取消，市场萎缩很快，其前景不 容乐观。镍氢电池:镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品，从 20世纪 90 年代开始 投放场。镍氢电池和镍镉电池外形上相似，而目镍氢电池的正极与镍镉电池也基 本相同，都是以氢氧化镍为正极，主要区别在于镍镉电池负极板采用的是镉活性 物质，而镍氢电池是以高能贮氢合金为负极，因此镍氢电池具有更大的能量。同 时镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池亦基本相似，故镍氢电池在使用时可完 全替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。由于镍氢电池缺点是价
9、格比镍 镉电池要贵，性能比锂电池要差，在移动电话、笔记本电脑等领域被锰酸锂等锂 电池取代，作为动力电池在便携式电器市场、电动工具、电动车市场开始萎缩， 主要是被锰酸锂电池和磷酸铁锂电池取代。镍氢电池最终将被市场所淘汰。锂离子电池:整个锂离子电池产业发展很快，自商业化以来，不断占领镍镉电池和镍氢电池的市场。目前，锂离子电池在整个电池产业中是最受人瞩目的， 其中目前使用最广泛的是钴酸锂电池和锰酸锂电池，但未来行业格局会有所变 化，应用在手机、电脑和数码产品中的钴酸锂电池会逐渐被一元/二元聚合物锂 电池取代，而作为高倍率动力电池，锰酸锂电池也将逐渐被磷酸铁锂电池取代。 由于锂离子电池技术发展速度迅猛
10、，很多电池只能仅仅作为过渡电池（不能完全 消除安全隐患），只有聚合物锂电池和磷酸铁锂电池代表了锂离子电池发展的方 向。1. 高的能量密度目前商业化的锂离子电池的能量密度约为260270KWh/m3,是镍氢，镍镉 电池的2倍，铅酸电池的3倍。与相同容量的镍氢镍镉电池相比，锂离子电池的 重量减小了一半，体积缩小了 20%50%。2. 高的工作电压一般锂离子电池的工作电压为 3.7V 左右，而镍氢、镍镉电池的工作电压为 1.2V，铅酸电池为2V左右。锂离子电池较高的电压使得要求相同的情况下，锂 离子电池的需求量大大的减少，能更好的使用于小型化的电子设备中。3. 无记忆效应和镍镉电池不同，锂离子电池无
11、因重复的浅充放电而引起充电容量减少的记 忆效应。因此什么时候都能充电。所谓记忆效应，是指当电池放电不完全时，电池内部发生大块结晶而造成阻碍电池内部电化学反应的进行，导致电池容量减 少。此现象对于镍镉电池尤为明显，当电池有数次的充放电不良，就可造成电池 使用容量降低，所以在使用十次左右时，应对镍镉电池进行完全的充放电。当然， 这种容量下降并不是真的减少了电池的容量，当电池有了记忆效应时，则可以连 续做三次至五次充放电来释放记忆，恢复电池减少的那部分容量。镍氢电池的记 忆效应较弱，在约使用过 50次后，做一次完全的充放电即可。4.无污染锂离子电池不存在镍镉电池中有的Cd金属，铅酸电池中有的Pd金属
12、等严重对人体有毒的物质，所以相对污染很小。表 1：几种二次电池性能表铅酸电镍镉电镍氢电池锂离子电池19561990商品化时程1990 年1992 年工作电压(V)2V1.2V1.2V3.7V克电容量(mAh/g)140-150体积能量密度(wh/L)100150250400重量能量密度(wh/Kg)305770133功率(W/Kg)300190200循环寿命（cycle400500500以life)以上上50010005.另外还有一些新型电池如燃料电池以及其他能量转换电池如太阳电池、温差电 池、核电池等。燃料电池燃料电池是把燃料在燃烧过程中释放的化学能直接转换成电能的装置。与 蓄电池不同之处，
13、是它可以从外部分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂 而不需要充电。燃料电池由燃料（例如氢、甲烷等）、氧化剂（例如氧和空气等）、 电极和电解液等四部分构成。其电极具有催化性能，且是多孔结构的，以保证较 大的活性面积。工作时将燃料通入负极，氧化剂通入正极，它们各自在电极的催 化下进行电化学反应以获得电能。燃料电池把燃烧反应所放出的能量直接转变为 电能，所以它的能量利用率高，约等于热机效率的2倍以上。此外它还有下述优 点：设备轻巧；不发噪音，很少污染；可连续运行；单位重量输出电能 高等。因此，它已在宇宙航行中得到应用，在军用与民用的各个领域中已展现广 泛应用的前景。太阳电池把太阳光的能量转换为电
14、能的装置。当日光照射时，产生端电压，得到电流， 用于人造卫星、宇宙飞船中的太阳电池是半导体制成的（常用硅光电池）。日光照射太阳电池表面时，半导体PN结的两侧形成电位差。其效率在百分之十以上, 典型的输出功率是510毫瓦每平方厘米（结面积）。温差电池两种金属接成闭合电路，并在两接头处保持不同温度时，产生电动势，即温差 电动势，这叫做塞贝克效应（见温差电现象），这种装置叫做温差电偶或热电偶。 金属温差电偶产生的温差电动势较小，常用来测量温度差。但将温差电偶串联成 温差电堆时，也可作为小功率的电源，这叫做温差电池。用半导体材料制成的温 差电池，温差电效应较强。核电池把核能直接转换成电能的装置（目前的
15、核发电装置是利用核裂变能量使蒸汽受 热以推动发电机发电，还不能将核裂变过程中释放的核能直接转换成电能）。通 常的核电池包括辐射0射线（高速电子流）的放射性源（例如锶-90），收集这 些电子的集电器，以及电子由放射性源到集电器所通过的绝缘体三部分。放射性 源一端因失去负电成为正极，集电器一端得到负电成为负极。在放射性源与集电 器两端的电极之间形成电位差。这种核电池可产生高电压，但电流很小。它用于 人造卫星及探测飞船中，可长期使用。二、锂离子电池1. 锂离子电池分类根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池 (lithium ion battery,简称为 LIB)和聚合物
16、锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是 相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2等，负极使用各种 碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。主要区别在于电解质的不同, 锂离子 电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替, 这种 聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电液泄露，所以装配很容 易，使得整体电池很轻、很薄。也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因 此可以用铝塑复合薄膜制
