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    電池知識

    鋰電池的材料構成及發展趨勢與應用!

    來源:未知    2019-04-11 21:13    點擊量:
         鋰電池分為兩種:鋰金屬電池和鋰離子電池。這是根據鋰存在的形態來定義的,鋰金屬電池是用金屬鋰做電極,而鋰離子電池則是以離子形態存在于電極。

      鋰金屬電池通過金屬鋰的腐蝕或叫氧化來產生電能的,用完就廢了,不能充電,因此也稱一次電池。鋰離子電池則是利用鋰離子的濃度差進行儲能和放電,電池中不存在金屬鋰,因此也稱鋰二次電池。目前所應用于手機、相機、電動工具、電動汽車、儲能、通信基站等可充鋰電池,均為鋰離子電池。一般市場上大多數常用可見的鋰電池均為鋰離子電池,大家也習慣簡稱為鋰電池,本文所稱鋰電池也主要指鋰離子電池。
    鋰電池材料構成

      四大主材:正極材料、負極材料、隔膜、電解液

      輔材:NMP、銅箔、鋁箔、鋁殼蓋板、導電劑、粘結劑、其他(EMD)等。

      鋰電池”,是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gil

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      tN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時,M.S.Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非?;顫?,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環境要求非常高。所以,鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發展,現在鋰電池已經成為了主流。

      鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰,并且是可以充電的??沙潆婋姵氐牡谖宕a品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制,現在只有少數幾個國家的在生產這種鋰金屬電池。

      碳負極材料

      已經實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。

      錫基負極材料

      錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基復合氧化物兩種。氧化物是指各種價態金屬錫的氧化物。沒有商業化產品。

    鋰電池的發展進程:

      1970年,??松腗.S.WhitTIngham采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成首個鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯,負極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。鋰離子電池(Li-ionBatteries)是鋰電池發展而來。舉例來講,以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。這種電池也可以充電,但循環性能不好,在充放電循環過程中容易形成鋰結晶,造成電池內部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。1980年,J.Goodenough發現鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。

      1982年伊利諾伊理工大學(theIllinoisInsTItuteofTechnology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發現鋰離子具有嵌入石墨的特性,此過程是快速的,并且可逆。與此同時,采用金屬鋰制成的鋰電池,其安全隱患備受關注,因此人們嘗試利用鋰離子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功。

      1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發現錳尖晶石是優良的正極材料,具有低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠低于鈷酸鋰,即使出現短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。

      1989年,A.Manthiram和J.Goodenough發現采用聚合陰離子的正極將產生更高的電壓。

      1992年日本索尼公司發明了以炭材料為負極,以含鋰的化合物作正極的鋰電池,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池,至今仍是便攜電子器件的主要電源。

      1996年Padhi和Goodenough發現具有橄欖石結構的磷酸鹽,如磷酸鐵鋰(LiFePO4),比傳統的正極材料更具安全性,尤其耐高溫,耐過充電性能遠超過傳統鋰離子電池材料。因此已成為當前主流的大電流放電的動力鋰電池的正極材料。

     

      縱觀電池發展的歷史,可以看出當前世界電池工業發展的三個特點,一是綠色環保電池迅猛發展,包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等;二是一次電池向蓄電池轉化,這符合可持續發展戰略;三是電池進一步向小、輕、薄方向發展。在商品化的可充電池中,鋰離子電池的比能量最高,特別是聚合物鋰離子電池,可以實現可充電池的薄形化。正因為鋰離子電池的體積比能量和質量比能量高,可充且無污染,具備當前電池工業發展的三大特點,因此在發達國家中有較快的增長。電信、信息市場的發展,特別是移動電話和筆記本電腦的大量使用,給鋰離子電池帶來了市場機遇。而鋰離子電池中的聚合物鋰離子電池以其在安全性的獨特優勢,將逐步取代液體電解質鋰離子電池,而成為鋰離子電池的主流。聚合物鋰離子電池被譽為“21世紀的電池”,將開辟蓄電池的新時代,發展前景十分樂觀。

      2015年3月,日本夏普與京都大學的田中功教授聯手成功研發出了使用壽命可達70年之久的鋰離子電池。此次試制出的長壽鋰離子電池,體積為8立方厘米,充放電次數可達2.5萬次。并且夏普方面表示,此長壽鋰離子電池實際充放電1萬次之后,其性能依舊穩定。

      鋰電池的發展前景:

      為了開發出性能更優異的品種,人們對各種材料進行了研究。從而制阿聯酋鋰電池公交車(荷蘭制造)造出前所未有的產品。比如,鋰二氧化硫電池和鋰亞硫酰氯電池就非常有特點。它們的正極活性物質同時也是電解液的溶劑。這種結構只有在非水溶液的電化學體系才會出現。所以,鋰電池的研究,也促進了非水體系電化學理論的發展。除了使用各種非水溶劑外,人們還進行了聚合物薄膜電池的研究。

      鋰電池廣泛應用于水力、火力、風力和太陽能電站等儲能電源系統,郵電通訊的不間斷電源,以及電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動汽車、軍事裝備、航空航天等多個領域。

     

      鋰離子電池以其特有的性能優勢已在便攜式電器如手提電腦、攝像機、移動通訊中得到普遍應用。開發的大容量鋰離子電池已在電動汽車中開始試用,預計將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一,并將在側面人造衛星、航空航天和儲能方面得到應用。隨著能源的緊缺和世界的環保方面的壓力。鋰電被廣泛應用于電動車行業,特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現,更推動了鋰電池產業的發展和應用。

     

      《規劃》出臺有望改變世界鋰電池格局

      4月18日,國務院討論通過了《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012~2020年)》(下稱《規劃》),明確了以純電驅動為汽車工業轉型的主要戰略取向,推廣普及非插電式的混合動力汽車,并提出了在2015年純電動以及混合動力車累計產銷量達到50萬輛,到2020年超過500萬輛的目標。

      《規劃》的出臺,在坊間引發巨大關注。諸多專家認為,此舉將促進汽車業進入新一輪發展期,此外,還在無形中為節能與新能源汽車的核心部件動力電池產業勾勒出一個龐大的市場輪廓。

      《2013-2017年中國鋰電池行業產銷需求與投資預測分析報告》數據統計,2012年我國新能源汽車、電網儲能、特種車、通信基站等領域的成品鋰電池組市場規模為35億元,比2011年的26億元增長34.6%。其中新能源汽車的應用占比為57%。

      自從2007年蘋果公司發布智能手機,隨后又推出平板電腦以來,全球便進入了智能化時代,對智能手機和平板電腦的強烈需求快速推動了數碼鋰電池的銷量,其中以手機鋰電池銷量最大。

      2012年數碼鋰電池行業產品結構的快速調整,一方面使軟包鋰電池、圓柱鋰電池的銷量快速增加,并保持30%以上的增速,另一方面又使鋁殼方形鋰電池的市場規模迅速萎縮。整個數碼鋰電池行業正在經歷深刻的變化,對投資者而言,能否在變革中把握市場趨勢的變化決定了公司未來命運。

      鋰電池的應用:

      隨著二十世紀微電子技術的發展,小型化的設備日益增多,對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進入了大規模的實用階段。

      最早得以應用的是鋰亞原電池,用于心臟起搏器中。由于鋰亞電池的自放電率極低,放電電壓十分平緩。使得起搏器植入人體長期使用成為可能。

      鋰錳電池一般有高于3.0伏的標稱電壓,更適合作集成電路電源,廣泛用于計算機、計算器、手表中。

      鋰離子電池大量應用在手機、筆記本電腦、電動工具、電動車、路燈備用電源、航燈、家用小電器上,可以說是最大的應用群體。