第二章第4節(jié)鋰離子分類

第四節(jié)鋰電池分類體系介紹XiangyangAutovocationaltechnicalcollegeXiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.鋰電池分類總的分類：1、根據(jù)鋰電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰電池可以分為液態(tài)鋰電池(lithiumionbattery,簡稱為LIB)和聚合物鋰電池(polymerlithiumionbattery,簡稱為LIP)兩大類。2、按充電方式可分為：不可充電的及可充電的兩類。3、鋰電池外型分：有方型鋰電（如常用的手機電池）和柱形（如18650，18500）；4、鋰電池外包材料分：鋁殼鋰電池，鋼殼鋰電池，軟包電池；5、鋰電池從正負極材料（添加劑）分：鈷酸鋰(LiCoO2)電池、錳酸鋰（LiMn2O4），磷酸鐵鋰電池，一次性二氧化錳鋰電池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege2.聚合物鋰離子電池

聚合物鋰電池所用的正負極材料與液態(tài)鋰都是相同的，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同,鋰電池使用的是液體電解質(zhì),而聚合物鋰電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替,這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。聚合物鋰電池可分為三類：1、固體聚合物電解質(zhì)鋰電池。電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導率低，適于高溫使用。2、凝膠聚合物電解質(zhì)鋰電池。即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導率，使電池可在常溫下使用。3、聚合物正極材料的鋰電池。采用導電聚合物作為正極材料，其能量是現(xiàn)有鋰電池的3倍，是最新一代的鋰電池。

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由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰電池相比，聚合物鋰電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點，也不會產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個電池的容量；聚合物鋰電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會比目前的液態(tài)鋰電池提高50％以上。此外,聚合物鋰電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比鋰電池有所提高?；谝陨蟽?yōu)點，聚合物鋰電池被譽為下一代鋰電池。2.聚合物鋰離子電池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege3.不可充電鋰電池

不可充電的電池稱為一次性電池，它只能將化學能一次性地轉(zhuǎn)化為電能，不能將電能還原回化學能（或者還原性能極差）。而可充電的電池稱為二次性電池（也稱為蓄電池）。它能將電能轉(zhuǎn)變成化學能儲存起來，在使用時，再將化學能轉(zhuǎn)換成電能，它是可逆的。1、不可充電的鋰電池有多種，目前常用的有鋰－二氧化錳電池、鋰—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。（1）鋰-二氧化錳電池

鋰-二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，并采用有機電解液的一次性電池。該電池的主要特點：（1）電池電壓高，額定電壓為3v（是一般堿性電池的2倍）；（2）終止放電電壓為2v；比能量大，放電電壓穩(wěn)定可靠；（3）自放電率低（年自放電率≤2％），儲存性能較好(儲存時間3年以上）；（4）工作溫度范圍－20℃～＋60℃。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege（2）鋰-亞硫酰氯電池Li/SOCl2電池由鋰負極、碳正極和一種非水的SOCl2：LiAlCl4電解質(zhì)組成。亞硫酰氯既是電解質(zhì)，又是正極活性物質(zhì)。

鋰-亞硫酰氯電池特點：（1）額定電壓是3.6v，以中等電流放電時具有極其平坦的3.4v放電特性（可在90％容量范圍內(nèi)平坦地放電，保持不大的變化）（2）電池可以在－40℃～＋85℃范圍內(nèi)工作，但在－40℃時的容量約為常溫容量的50％。（3）自放電率低（年自放電率≤1％）、儲存壽命長達10年以上。3.不可充電鋰電池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege4.可充電電池2、可充電的鋰電池

可充電的鋰電池有多種，如鋰-釩氧化物電池，鋰電池及國外新開發(fā)的鋰-聚合物電池等?？沙潆婁囯姵厥悄壳笆謾C中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放（會損壞電池或使之報廢）。因此，在電池上有保護元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。鋰電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在1%之內(nèi)，目前各大半導體器件廠已開發(fā)出多種鋰電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。(1）鋰-釩氧化物電池

鋰-釩氧化物電池以鋰為陽極、釩氧化物為陰極、無機鹽的有機溶劑為電解質(zhì)組成。它的特點是可以充電。特點：（1）額定電壓僅為2.8v，而且額定容量也?。唬?）其比能量是最小的。此外，其充電次數(shù)（循環(huán)壽命）也不長，所以這種可充電電池不久就由鋰電池替代了。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege（2）鋰離子電池

鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰電池，它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，并且有由幾個電池串聯(lián)在一起組成的電池組。鋰電池特點：（1）額定電壓為3.6v（有的產(chǎn)品為3.7v）。（2）充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)：陽極材料為石墨的4.2v；陽極材料為焦炭的4.1v。（3）不同陽極材料的內(nèi)阻也不同，焦炭陽極的內(nèi)阻略大，其放電曲線也略有差別。（4）鋰離子電池的終止放電電壓為2.5v-2.75v（電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同）。低于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過放，過放對電池會有損害。

4.可充電電池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege5.鋰電池正極材料體系

鋰電池從正負極材料體系劃分可以分為：（1）鈷酸鋰(LiCoO2)電池；（2）錳酸（LiMn2O4）鋰電池；（3）磷酸鐵鋰電池；（4）三元聚合物鋰電池；

鈷酸鋰(LiCoO2)電池由于其具有工作電壓高、能流密度高、循環(huán)壓壽命長、自放電低、無污染、安全性能好等獨特的優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛用作移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等的電源。錳酸鋰在原料價格上優(yōu)勢明顯。但在容量和循環(huán)壽命上存在不足。鈷酸鋰的實際使用比容量為130mAh／g，循環(huán)次數(shù)可達到300至500次以上：XiangyangAutovocationaltechnicalcollege6.鈷酸鋰及錳酸鋰電池

錳酸鋰是較有前景的鋰離子正極材料之一，相比鈷酸鋰等傳統(tǒng)正極材料，錳酸鋰具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優(yōu)點，是理想的動力電池正極材料，但其較差的循環(huán)性能及電化學穩(wěn)定性卻大大限制了其產(chǎn)業(yè)化。錳酸鋰主要包括尖晶石型錳酸鋰和層狀結(jié)構(gòu)錳酸鋰，其中尖晶石型錳酸鋰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，目前市場產(chǎn)品均為此種結(jié)構(gòu)。尖晶石型錳酸鋰屬于立方晶系，理論比容量為148mAh/g，由于具有三維隧道結(jié)構(gòu)，鋰離子可以可逆地從尖晶石晶格中脫嵌，不會引起結(jié)構(gòu)的塌陷，因而具有優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定性XiangyangAutovocationaltechnicalcollege7.磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰電池。磷酸鐵鋰電池的特性：①超長壽命長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)壽命達到2000次以上，標準充電（5小時率）使用，可達到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池最多也就1—1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，將達到７－８年。②使用安全磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈的碰撞下會產(chǎn)生爆炸對消費者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰以經(jīng)過嚴格的安全測試即使在最惡劣的交通事故中也不會產(chǎn)生爆炸③工作溫度范圍寬廣（-20C-75C）④比普通電池（鉛酸等）更大的容量。⑤無記憶效應(yīng)。電池無論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege8.錳酸鋰與磷酸鐵鋰性能之爭：錳酸鋰VS磷酸鐵鋰

非動力鋰電池正極材料通常是鈷酸鋰，而動力鋰電池正極材料當今分為錳酸鋰和磷酸鐵鋰兩大派系，日本廠家力主錳酸鋰，并且已經(jīng)推出數(shù)款采用錳酸鋰電池的電動車，如日產(chǎn)聆風；而美國和中國廠家熱衷于磷酸鐵鋰，A123是磷酸鐵鋰的龍頭廠家。磷酸鐵鋰在性能上異常優(yōu)秀，磷酸鐵鋰作為正極材料能量密度就大于錳酸鋰而且在各種正極材料中，它的內(nèi)部阻力是非常小的，這使得電池的使用壽命較長，充放電時發(fā)熱量小，安全性高。但在工業(yè)化成熟度、成本、一致性上，錳酸鋰遠優(yōu)于磷酸鐵鋰。由于電動車用的鋰電池是數(shù)十甚至數(shù)百個電芯連接起來的，對一致性要求非常高，這是磷酸鐵鋰最難做到的。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege9.三元鋰電池三元聚合物鋰電池

鈷酸鋰是目前應(yīng)用最廣的電池材料，但鈷資源日益匱乏，價格昂貴，鈷酸鋰電池在使用過程中存在安全隱患。鎳鈷錳酸鋰以相對廉價的鎳和錳取代了鈷酸鋰中三分之二以上的鈷，成本方面優(yōu)勢非常明顯，和其他鋰離子電池正極材料錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰相比，鎳鈷錳酸鋰材料和鈷酸鋰在電化學性能和加工性能方面非常接近，使得鎳鈷錳酸鋰材料成為新的電池材料而逐漸取代鈷酸鋰，成為新一代鋰離子電池材料的寵兒。鎳鈷錳酸鋰性能:（1）高能量密度，理論容量達到280mAh/g，產(chǎn)品實際容量超過150mAh/g；（2）循環(huán)性能好在常溫和高溫下均具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性；（3）具有電壓高在2.5-4.3/4.4V電壓范圍內(nèi)循環(huán)穩(wěn)定可靠；（4）熱穩(wěn)定性好在4.4V充電狀態(tài)下的材料熱分解穩(wěn)定；（5）循環(huán)壽命長1C循環(huán)壽命500次容量保持80%以上；（6）晶體結(jié)構(gòu)理想、自放電小、無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點.XiangyangAutovocationaltechnicalcollege10.鈦酸鋰電池鈦酸鋰電池

作為鋰離子電池負極材料-鈦酸鋰，可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池。此外，它還可以用作正極，與金屬鋰或鋰合金負極組成1.5V的鋰二次電池。由于鈦酸鋰的高安全性、高穩(wěn)定性、長壽命和綠色環(huán)保的特點?？梢灶A(yù)見：鈦酸鋰材料在2－3年后，一定會成為新一代鋰離子電池的負極材料而被廣泛應(yīng)用在新能源汽車、電動摩托車和要求高安全性、高穩(wěn)定性和長周期的應(yīng)用領(lǐng)域。鈦酸鋰電池工作電壓2.4V，最高電壓3.0V，充電電流大于2C。組成正極：磷酸鐵鋰、錳酸鋰或三元材料、鎳錳酸鋰。負極：鈦酸鋰材料。隔膜：以碳作負極的鋰電池隔膜。電解液：以碳作負極的鋰電池電解液。電池殼：以碳作負極的鋰電池殼。

XiangyangAutovocationaltechnicalcollege鈦酸鋰電池優(yōu)點

采用電動車輛取代燃油車輛是解決城市環(huán)境污染的最佳選擇，其中鋰離子動力電池引起了研究者的廣泛關(guān)注.為了滿足電動車輛對車載鏗離子動力電池的要求，研制安全性高、倍率性能好且長壽命的負極材料是其熱點和難點。商業(yè)化的鋰離子電池負極主要采用碳材料，但以碳做負極的鋰電池在應(yīng)用上仍存在一些弊端：1、過充電時易析出鋰枝晶，造成電池短路，影響鋰電池的安全性能;2、易形成SEI膜而導致首次充放電效率較低，不可逆容量較大;3、即碳材料的平臺電壓較低(接近于金屬鋰)，并且容易引起電解液的分解,從而帶來安全隱患。4、在鋰離子嵌入、脫出過程中體積變化較大，循環(huán)穩(wěn)定性差。與碳材料相比，尖晶石型的Li4Ti5012具有明顯的優(yōu)勢：1、它為零應(yīng)變材料，循環(huán)性能好；2、放電電壓平穩(wěn)，而且電解液不致發(fā)生分解，提高鋰電池安全性能；3、與炭負極材料相比，鈦酸鋰具有高的鋰離子擴散系數(shù)可高倍率充放電等；4、鈦酸鋰的電勢比純金屬鋰的高，不易產(chǎn)生鋰晶枝，為保障鋰電池的安全提供了基礎(chǔ)。10.鈦酸鋰電池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege鈦酸鋰電池缺點1、相對其他類型的鋰離子動力電池能量密度會低一些。2、脹氣問題一直阻礙著鈦酸鋰電池的應(yīng)用。3、相對其他類型的鋰離子動力電池價格偏高。4、電池一致性仍存在差異，隨著充放電次數(shù)的增加電池一致性差異會逐漸增大。10.鈦酸鋰電池XiangyangAutovocationaltechnicalcollege11.鋰電池各種材料體系對比鋰電池各種材料系對比表鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流快充階段（指示燈呈紅色）和恒壓電流遞減階段（指示燈呈黃色）。鋰離子電池原理探討鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。電池內(nèi)阻電池內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻值大，會導致電池放電工作電壓降低，放電時間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響。電池內(nèi)阻是衡量電池性能的一個重要參數(shù)。鋰離子電池性能參數(shù)指標電池的容量

電池的容量有額定容量和實際容量之分。鋰離子電池規(guī)定在常溫、恒流(1C)、恒壓(4.2V)控制的充電條件下，充電3h、再以0.2C放電至2.75V時，所放出的電量為其額定容量。電池的實際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實際電量，主要受放電倍率和溫度的影響（故嚴格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條件）。容量單位：mAh、Ah(1Ah=1000)。

工作電壓又稱端電壓，是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流流過時電池正負極之間的電勢差。在電池放電工作狀態(tài)下，當電流流過電池內(nèi)部時，不需克服電池的內(nèi)阻所造成阻力，故工作電壓總是低于開路電壓，充電時則與之相反。鋰離子電池的放電工作電壓在3.6V左右。開路電壓和工作電壓

開路電壓是指電池在非工作狀態(tài)下即電路中無電流流過時，電池正負極之間的電勢差。一般情況下，鋰離子電池充滿電后開路電壓為4.1—4.2V左右，放電后開路電壓為3.0V左右。通過對電池的開路電壓的檢測，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。放電平臺時間放電平臺時間是指在電池滿電情況下放電至某電壓的放電時間。例對某三元電池測量其3.6V的放電平臺時間，以恒