鋰離子電池介紹

鋰離子電池介紹研發(fā)部簡介鋰離子電池(Li-ionBatteries)是鋰電池發(fā)展而來。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。也可以充電，但循環(huán)性能差。鋰離子電池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。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。在Li-ionBatteries的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態(tài)。Li-ionBatteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在來回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫搖椅式電池。

鋰離子電池組成部分

正極——活性物質一般為鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰材料和磷酸鐵鋰材料，導電集流體使用厚度10～20微米的電解鋁箔。隔膜——一種特殊的復合膜，可以讓離子通過，但卻是電子的絕緣體。負極——活性物質為石墨，或近似石墨結構的碳，導電集流體使用厚度7～15微米的電解銅箔。有機電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液。電池外殼——分為鋼殼（現(xiàn)在方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負極引出端。

鋰離子電池反應機理正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。

充電時：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-

放電時：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4

負極反應：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。

充電時：xLi++xe-+6C→LixC6

放電時：LixC6→xLi++xe-+6C

鋰離子電池優(yōu)點電壓高，單體電池的工作電壓高達3.7～3.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍。比能量大，材料能達到150mAh/g以上的比容量，比能量3～4倍于Ni-Cd，2～3倍于Ni-MH。循環(huán)壽命長，一般均可達到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達到2000次以上。安全性能好，無公害，無記憶效應。自放電小，室溫下充滿電的Li-ionBatteries儲存1個月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd和Ni-MH電池?？煽焖俪浞烹?，1C充電30分鐘容量可以達到標稱容量的80%以上，現(xiàn)在磷鐵電池可以達到10分鐘充電到標稱容量的90%。工作溫度范圍高，工作溫度為-25~45°C，隨著電解液和正極的改進，期望能擴寬到-40~70°C。

鋰離子電池缺點合格率：不合格率高，大約有1％的電池因種種原因不合格。不耐受過充：過充電時，過量嵌入的鋰離子會永久固定于晶格中，無法再釋放，可導致電池壽命縮短。不耐受過放：過放電時，電極脫嵌過多鋰離子，可導致晶格坍塌，從而縮短壽命。成本高：如橄欖石型的磷酸鐵鋰材料，具有安全性高（不存在爆炸的理論危險），使用壽命長、可以大電流充放電等優(yōu)異性能。但是生產成本高、材料堆積密度小，不利于生產控制。另外鋰離子電池需要多重保護機制：由于錯誤使用會減少壽命，甚至可能導致爆炸，所以，鋰離子電池設計時增加了多種保護機制。如保護電路：防止過充、過放、過載、過熱。另外，國外有報道LiVO2亦能形成層狀化合物，可作為正極電極材料。

種類目前鋰離子正極材料很多，目前主流產品多采用鋰鐵磷酸鹽。右表為不同的正極材料對照：正極材料平均電壓能量密度LiCoO2

3.7V140mAh/gLiMn2O4

4.0V100mAh/gLiFePO4

3.3V170mAh/gLiNiO23.6V190mAh/g鋰離子電池正極材料

從目前國內外對正極材料的研究可看出，其電容量以每年30～50mAh/g的速度在增長，發(fā)展趨向于微結構尺度越來越小，而電容量越來越大的嵌鋰化合物，原材料尺度向納米級挺進，關于嵌鋰化合物結構的理論研究已取得一定進展，但其發(fā)展理論還在不斷變化中。困擾這一領域的鋰電池電容量提高和循環(huán)容量衰減的問題，已有研究者提出添加其它組分來克服的方法。鋰離子電池正極材料鋰離子電池負極材料

(1)碳材料：石墨化碳材料、無定型碳材料。如石墨、軟碳、中間相碳微球已在國內有開發(fā)和研究，硬碳、碳納米管、巴基球C60等多種碳材料正在被研究中。(2)其它材料：氮化物、硅基材料、錫基材料、新型合金、納米氧化物等。負極材料比容量（mAh/g）電位/V（Vs.Li/Li+）密度（g/cm3）循環(huán)性能安全性能成本MCMB（中間相碳微球）320～3600.2～0.082.20較好差高NGR（天然石墨）340～3800.2～0.082.25較好差低HC（硬碳）250～4501.5～01.8-2.1良較好較低修飾人造石墨320～3400.2～0.082.20好較好高Li4Ti5O12150～1751.553.47非常好好較高存在問題

(1)電壓滯后，即鋰的嵌入反應在0～0.25V之間進行（相對于Li＋／Li）而脫嵌反應則在1V左右發(fā)生；

(2)理論上還需進一步深化。這有賴于各種高純度、結構規(guī)整的原料及碳材料的制備和更為有效的結構表征方法的建立。發(fā)展方向

(1)更小的納米尺度的嵌鋰微結構。

(2)制備高純度和規(guī)整的微結構碳負極材料。鋰離子電池負極材料鋰離子電池電解質目前使用和研究的電解質包括液體電解質、全固態(tài)電解質和凝膠型聚合物電解質。溶質：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸、鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。

溶劑：由于電池的工作電壓遠高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機溶劑易帶來易燃、易爆等安全性問題。

鋰離子電池用隔膜隔膜是液態(tài)鋰離子二次電池的重要組成部分，在電池中起著防止正/負極短路，同時在充放電過程中提供離子運輸電通道的作用，其性能決定了電池的界面結構、內阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。鋰離子電池隔膜的材料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）單層微孔膜，以及由PP和PE復合的多層微孔膜。目前，多層隔膜的研究受到廣泛關注，多層隔膜結合了PE和PP的優(yōu)點。如PP／PE／PP3層隔膜，具有更好的力學性能，PE夾在2層PP之間可以起到熔斷保險絲的作用，為電池提供了更好的安全保護。目前，世界上只有日本、美國等少數幾個國家擁有鋰離子電池聚合物隔膜的生產技術和相應的規(guī)模化產業(yè)。

鋰離子電池安全

在鋰離子電池安全性方面的考慮主要從電池材料的選擇、電池電化學設計、電池結構設計、添加劑的應用、充電制度等方面來進行。1）隔膜的自動關斷保護國際先進的Celgard2300PE-PP-PE三層復合膜。在電池升溫達到120℃的情況下，復合膜兩側的PE膜孔閉合，電池內阻增大，電池內部升溫減緩，電池升溫達到135℃時，PP膜孔閉合，電池內部斷路，電池不再升溫，確保電池安全可靠。2）電解液方面的安全保護措施有機電解液體系安全方面的研究主要包括防止過充電、阻燃性電解液、電氧化聚合物保護等。3）電池蓋復合結構和安全閥電池蓋采用刻痕防爆結構或設安全閥，電池升溫時，電池內部活化過程中所產生的部分氣體膨脹，電池內壓加大，壓力達到一定程度刻痕破裂、放氣?；蛟陔姵氐纳仙w上設計安全閥，當電池內部的壓力達到一定值時，安全閥開啟，放氣。4）外接保護電路鋰離子電池在使用時常外接保護電路,一方面防止過充、過放以避免循環(huán)壽命的縮短,另一方面也起到防止電池濫用、誤用的作用。好的鋰離子電池保護電路都具有溫度保護和電流保護，當充放電電流、電池溫度大于相應設定的保護值時,保護電路都將終止電池工作。5）各種環(huán)境濫用試驗等對電池進行各項濫用試驗，如外部短路、過充、針刺、平板沖擊、焚燒等，考察電池的安全性能。同時對電池進行溫度沖擊試驗和振動、跌落、沖擊等力學性能試驗，考察電池在實際使用環(huán)境下的性能情況。鋰離子電池電性能序號項目性能占額定容量的百分比%1容量Ah31.52重量比能量Wh/Kg76.503體積比能量Wh/L140.874倍率6.67C放電性能29.5698.5%5高溫55度充放電性能31.17103.9%6低溫-20度放電性能19.0263.4%7低溫-20度充放電性能26.0186.7%8倍率6.67C充電容量26.2687.5%鋰離子電池工況循環(huán)在30%SOC-76%SOC區(qū)間內循環(huán)，電池充電最高電壓為3.73V，電池最低放電電壓為3.02V。滿足整車的工況要求.鋰離子電池安全性能性能試驗內容:跌落過放電加熱短路針刺擠壓過充電通過單體電池的安全性能試驗，單體30Ah磷酸鐵鋰電池在做安全試驗過程中沒有發(fā)生爆炸和著火現(xiàn)象。鋰離子電池安全性能性能過放電性能:

鋰離子電池安全性能性能

加熱試驗

短路試