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1、锂离子电池锂离子电池电池太阳能电池太阳能电池双层电气电容双层电气电容热电池热电池物理电池物理电池生物电池生物电池酶解电池酶解电池微生物电池微生物电池化学电池化学电池一次电池一次电池二次电池二次电池燃料电池燃料电池镍铬电池镍铬电池镍氢电池镍氢电池锂离子电池锂离子电池铅酸电池铅酸电池锂一次电池锂一次电池(又称锂原电又称锂原电池池, Primary LB)锂电池锂电池(Lithium Battery, 简写成简写成LB)锂二次电池锂二次电池(又称锂可充又称锂可充电电池，电电池，Rechargeable LB)锂一次电池发展史锂一次电池发展史当前当前70年代年代60年代的能源危机年代的能源危机20世纪
2、世纪50年代年代多种材料应用于锂一次电池多种材料应用于锂一次电池锂一次电池商品化锂一次电池大发展开始锂一次电池的研究手表、计算器、植入式医疗设备手表、计算器、植入式医疗设备Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、Li-SO2、Li-Ag2CrO4等等 在商业化锂一次电池的同时，人们发现许多层状无机硫族化合物可以同在商业化锂一次电池的同时，人们发现许多层状无机硫族化合物可以同碱金属发生可逆反应，这样的化合物统称为嵌入化合物。在嵌入化合物基碱金属发生可逆反应，这样的化合物统称为嵌入化合物。在嵌入化合物基础上，锂二次电池诞生了，其中最具有代表性的是础上，锂二次电池诞生了，其中最具有代表性的是
3、1970年埃克森公司的年埃克森公司的M.S.Whittingham利用利用Li-TiS体系，制成首个锂电池。但由于其枝晶所产生体系，制成首个锂电池。但由于其枝晶所产生严重的安全隐患而未能成功实现商品化。严重的安全隐患而未能成功实现商品化。循环循环100100次形成的锂枝晶图次形成的锂枝晶图锂二次电池的产生锂二次电池的产生1WhittinghamMSUSPatent 400905219772WhittinghamMSScience，1975，192：122619411941年年 出出 生生 ， 于于 牛牛 津津 大大 学学 BA(1964),MA(1967), BA(1964),MA(1967)
4、, 和和DrPhil(1968)DrPhil(1968)学学位位，目目前前就就职职于于宾汉姆姆顿大大学学。Dr. Dr. WhittinghamWhittingham是是发发明明嵌嵌入入式式锂锂离离子子电电池池重重要要人人物物，在在与与ExxonExxon公公司司合合作作制制成成首首个个锂锂电电池池之之后后，他他又又发发现现水水热热合合成成法法能能够够用用于于电电极极材材料料的的制制备备，这这种种方方法法目前被拥有磷酸铁锂专利的独家使用权的目前被拥有磷酸铁锂专利的独家使用权的PhostechPhostech公司所使用。公司所使用。由由于于他他所所作作出出的的卓卓越越贡贡献献，他他于于19711
5、971年年被被电电化化学学会会授授予予青青年年作作家家奖奖，于于20042004年被授予电池研究奖，并且被推举为会员。年被授予电池研究奖，并且被推举为会员。ManleyStanleyWhittingham锂与过渡金属的锂与过渡金属的复合氧化物复合氧化物锂离子电池的产生锂离子电池的产生锂离子电池锂离子电池比能量比能量电压电压电压电压负极负极负极负极层状结构的石墨层状结构的石墨120-150Wh/kg是普通镍镉电池是普通镍镉电池的的2-3倍倍高达高达3.6V正极正极20世纪世纪80年代末，日本年代末，日本Sony公司公司提出者锂离子电池区别于锂电池锂离子电池区别于锂电池 早期的锂电池早期的锂电池锂
6、离子电池锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在是锂电池发展而来。所以在介绍之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的介绍之前，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，亚硫酰氯，负极是锂负极是锂。电池组装完成后电池即有电压。电池组装完成后电池即有电压,不需不需充电。这种电池也可以充电充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好，在充放电循但循环性能不好，在充放电循环过程中环过程中,容易形成锂结晶，造成电池内部短路容易形成锂结晶，造成电池内部短路,所以一般所
7、以一般情况下这种电池是禁止充电的。情况下这种电池是禁止充电的。 锂离子电池：炭材料锂电池锂离子电池：炭材料锂电池后来，日本索尼公司发明了以后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极炭材料为负极，以含锂的化合物作正，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子没有金属锂存在，只有锂离子，这就，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔
8、，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用离子越多，充电容量越高。同样，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。极的锂离子越多，放电容量越高。 目前所说的锂离子电池通常为目前所说的锂离子电池通常为锂二次电池锂二次电池。摇椅式电池摇椅式电池1MichelArmand,PhilippeTouzain.Graphite intercala
9、tion compounds as cathode materials. Materials Science and Engineering. Volume 31,1977,319-3292ArmandMBPhD thesis ，Grenoble，19783ArmandMBMaterials for Advanced Battery New York： Plenum，1980145 2020世纪世纪8080年代初，年代初，M.B.ArmondM.B.Armond首次提出用嵌锂化合物代替二次锂电池中金首次提出用嵌锂化合物代替二次锂电池中金属锂负极的构想。在新的系统中，正极和负极材料均采用锂离子嵌
10、入属锂负极的构想。在新的系统中，正极和负极材料均采用锂离子嵌入/ /脱嵌材脱嵌材料。料。 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。时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层
11、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。容量。 在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极正极负极负极正极的运动状态。这就像一把摇椅，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。人们把这种电化学储能体系形象地称为来回运动。人们把这种电化学储能体系形象地称为“摇椅式电池摇椅式电池” ” （Rocking-chair CellRocking-
12、chair Cell）。 Armand Armand教授是锂离子电池的奠基人之教授是锂离子电池的奠基人之一，是国际学术和产业界公认的、在电池领一，是国际学术和产业界公认的、在电池领域具有原始创新成果的电池专家。域具有原始创新成果的电池专家。ArmandArmand教教授主要原创性学术贡献有：授主要原创性学术贡献有：1.19771.1977年，首次发现并提出石墨嵌锂化合物年，首次发现并提出石墨嵌锂化合物作为二次电池的电极材料。在此基础上，于作为二次电池的电极材料。在此基础上，于19801980年首次提出年首次提出“摇椅式电池摇椅式电池”（Rocking Rocking Chair Batteri
13、esChair Batteries）概念，成功解决了锂负概念，成功解决了锂负极材料的安全性问题。极材料的安全性问题。2.19782.1978年，首次提出了高分子固体电解质应年，首次提出了高分子固体电解质应用于锂电池。用于锂电池。3.19963.1996年，提出离子液体电解质材料应用于年，提出离子液体电解质材料应用于染料敏化太阳能电池。染料敏化太阳能电池。4.4.提出了碳包覆解决磷酸铁锂（提出了碳包覆解决磷酸铁锂（LiFePOLiFePO4 4）正）正极材料的导电性问题，为动力电池及电动汽极材料的导电性问题，为动力电池及电动汽车的产业化奠定了基础。车的产业化奠定了基础。 M. Armand锂离子
14、电池的商品化锂离子电池的商品化1990年日本年日本SONY公司正式推出公司正式推出LiCoO2/石墨石墨这种锂离子电这种锂离子电池，池，该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料替代金属锂作该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料替代金属锂作为负极，克服了锂二次电池循环寿命低、安全性差的缺点，为负极，克服了锂二次电池循环寿命低、安全性差的缺点，锂离子电池得以商品化锂离子电池得以商品化。标志着电池工业的一次革命。标志着电池工业的一次革命。1Nagaura,T.&Tozawa,K. Lithium ion rechargeable battery. Prog. Batteries Solar Cells 9
15、, 209 (1990)2专利号:JP4147573-A;JP3028582-B2;US5370710-A发明人:KATOH,NAGAURAT专利权人和代码:SONYCORP(SONY-C)3专利号:EP486950-A;EP486950-A1;CA2055305-A;JP4184872-A;JP4280082-A;US5292601-A;EP486950-B1;DE69103384-E;JP3079613-B2;JP3089662-B2;JP2000268864-A;CA2055305-C;JP3356157-B2发明人:SUGENON,ANZAIM,NAGAURAT专利权人和代码:SONY
16、CORP(SONY-C)4专利号:JP5036413-A;JP3282189-B2;US5273842-A发明人:NAGAURAT,YAMAHIRAT专利权人和代码:SONYCORP(SONY-C)锂离子电池特点锂离子电池特点与镍镉（与镍镉（Ni/Cd）、镍氢（）、镍氢（Ni/MH）电池相比，锂离子电池的主要特点如下：）电池相比，锂离子电池的主要特点如下：镍镉电池镍镉电池镍氢电池镍氢电池铅酸电池铅酸电池锂离子锂离子电池电池聚合物锂聚合物锂离子电池离子电池重量能量密度重量能量密度（Wh/kgWh/kg）45-8045-8060-12060-12030-5030-50110-160110-1601
17、00-130100-130循环寿命循环寿命（至初始容量（至初始容量80%80%）15001500300-500300-500200-300200-300500-2000500-2000300-500300-500单体额定电压单体额定电压(V)(V)1.251.251.251.252 23.63.63.63.6过充承受能力过充承受能力中等中等低低高高非常低非常低低低月自放电率月自放电率（室温）（室温）20%20%30%30%5%5%10%10%10%10%锂离子电池锂离子电池优点优点无环境污染，绿色电池无环境污染，绿色电池输出电压高输出电压高能量密度高能量密度高安全，循环性好安全，循环性好自放电
18、率小自放电率小快速充放电快速充放电充电效率高充电效率高锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理图schematic representation and operation principle of rechargeable lithium ion battery 锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段（指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）。示灯呈红色）和恒压电流递减阶段（指示灯呈黄色）。锂离子电池原理探讨锂离子电池原理探讨锂离子电池过度充放电会对正负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。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。锂离子电池保持性能最佳的充放电方式为浅充浅放。
