锂离子电池和锂聚合物电池概述[详解]
锂离子电池和锂聚合物电池概述
本文由zdhe03贡献
pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或
下载源文件到本机查看。
通
信
电
、
源
技
术
年
月
第
期
雳旗发才
锉 离 子 电池 和 锉 聚 合 物 电 池 概 述
诀 耐
一
仃
州
勺
郑如 定
武 汉 洲 际通 信 电 源 集 团 公 司
武汉
,
摘
要
高 比 能 量 长 循 环 寿命 的 二 次 电 池 是 电 化 学界
专 家致 力 研 制 对 象
、
、
、
。
当前 安 全 可 靠
,
、
有利 于 环 保 高功 率 密 度 体 积 小 重 量 轻 的 新 型
二 次 钗 电 池 正 被 广 泛 应 用
、 、 、
,
、
。
文 中通 过 对 新 型
的 钗 离子 电 池 但 聚合 物 电池 与 铅 酸 电 池 镶 锡
电 池 镍 氢 电 池 等 比 较 突 出 了 其 优 点 介 绍 了
新 型 的 担 离子 电 池 钗 聚 合 物 电 池 的 构 成 工 作
原 理 电 极 材 料特 性 及 发 展 前景
、
、
、
。
关键 词 分 类号
钗 离子 电 池
钗 聚合 物 电 池
电极 材 料
工作原理
一
, ,
,
一
,
,
一
,
即
一
,
钾
一
即
找如
一
,
一
,
,
伴
,
自
以来
,
年
,
提 出铅 酸 电 池 概 念
、
锡 电池 高
一
。
用 于 移 动 电话 中可 使 通
,
化 学 电 源 界 一 直 在 研 制新 的 高 比 能 量
经历 了铅 酸 电池
、 、 、
长
话时间延 长
一样
,
不过
,
这 种 电 池 和 镍 锡 电池
。
循 环 寿 命 的二 次 电池
池
、
镍福 电
也有记忆 功 能
,
不 过没有 那 么 明显
,
镍氢
基本
镍 氢 电池
。
锉 离子 电池
,
铿 聚合 物 电池 几个
,
电池 储 电 量 较大 近 年来
,
待 机 时 间长
。 、
价格适 中
,
阶段
上 可 以 满足 一 般 用 户 的需 求
镍 锡 电 池 电 路简 单 较大 电 流
性强
,
充 电 速度较 快
、
,
能 承载
、
重量 轻
能量 大
、
自放 电 率低 的二
。
。
但 由 于 镍锡 电池 重
储 电量小
污染
次 锉 电池 在 市场 出现
目前
,
,
备受 广 大 消 费 者 的 欢迎
加 之具 有 记忆 效 应
。
此 类 电池 正 逐步 退 出
投人市 场 的二次铿 电池也多 为锉离 子 电池
。
主流 市场
,
和 铿 聚合物 电池
,
镍 氢 电池 不 含有 福 金 属
染 很小
分解 后 对 环 境 的 污
。
,
是一种安全可靠
、
有利 于 环 保 的 电池
液态
锉 离 子 电池
它 的贮 能 密 度 比 旧 式 镍 福 电 池 高一 倍
一 一
比新式 镍
铿 离 子 电池 基 本 原 理 现在 被广泛 使用 的 锉离 子
电池 是 由锉 电 池 发
收稿
展 而来 的
。
锉 离 子 电 池 的正 极 材 料 是 氧 化 钻 铿
第
期
郑 如定
。
铿 离 子 电 池 和 铿 聚 合 物 电池 概 述
等
,
负极 材料是 碳 材
。
电池 通 过 正 极 产 生 的 锉 离
子 电池 正 极 材 料 的 铿钻 氧 化 物具有 电压 高 平稳
优点
、
、
放电
子 在 负 极 碳 材 中 的 嵌人 与迁 出 来实 现 电 池 的
充放
电过程
适 合 大 电 流放 电
、
比能 量 高
、
循环 性好 的
。
当对 电池 进行 充 电 时
,
,
电池 的 正 极 上 有
,
,
其 结 构适合 铿 离 子 嵌 人 和 脱 出
,
在反复的
,
锉 离子 生 成
极
。
生 成 的 锉 离 子 经 过 电 解 液运 动 到 负
充放 电过 程 中 变
,
由 于 锉 离 子 的 反 复嵌 人 与 脱 出 发 生 粒 间松 动
而 脱 落
。 。
,
而 作 为 负 极 的碳 呈 层 状 结 构
它 有很 多微
,
使活性 物 质 的 结 构 在 多 次 收 缩 和 膨 胀 后 发 生
改
同时 导 致
,
孔
,
到达 负极 的 铿 离 子 就 嵌 人 到 碳 层 的 微 孔 中
,
使
嵌 人 的锉 离 子 越 多
充 电容量越 高
,
。
同样 道 理
,
,
内阻 增 大
容 量 减小
,
当对 电池 进 行放 电时
回 到 正 极 的锉 离 子 越 多
即 使 用 电池 的 过 程
。
嵌
。
锉 镍 氧 化物
。
铿 镍 氧化物 的 理论容 量 密度 为
,
在 负极 碳 层 中 的 铿 离 子 脱 出
,
又运 动 回到正极
实际容量 密度 已 达
放 电容量越 高
。
,
通 常所
其 自放 电 率 低
。
没 有 环 境 污染 相比
,
,
对 具
、
说 的 电 池 容 量 指 的 就是 放 电 容量
从正 极
电解 液 的 要 求 较 低
与
在锉 离子 电 池 的充 放 电 过 程 中
锉离子处 于
。
有 一 定 的优 势
。
这 是 由 于 钻 与镍 相 比
,
价格 高
负极
,
正 极 的 运 动状 态
,
如果 把锉
,
储量 少
。
与
。
,
结构 相 同
,
取代容易
。
离 子 电 池 形 象 地 比 喻为 一 把 摇 椅
电池 的两 极
摇 椅 的两 端 为 在 染
,
铿锰氧化物
。
锉锰 氧化 物理 论 容量密 度为
而 锉 离 子 就 象 优 秀 的运 动 健将
。
实际容量密度在 其 突 出优 点 是 稳 定 性 好
, ,
摇 椅 的两 端 来 回 奔跑
,
所以
。
,
专家们 给锉 离 子 电
尖 晶石 型
之间
无污
比层
池一个 可 爱 的 名字摇椅 式 电池
工作 电压 高
成 本低廉
,
。
目前应 用 较 多 的 是
,
简称 为
基于其实质为浓 差 电
电池
。
,
其具 有 三 维 隧道 结 构
的嵌 人 与 脱 出
,
池
,
日本 工 业 称 之 为
而 欧洲
间化 合 物 更 利 于 有 固相 法 和 液 相 法
。
是
,
工业称之为
最 具 发展 潜 力 的 锉 离 子 电 池 正 极 材 料
合成
平均 工作
锉 离 子 电池 构 成 及 优 点 锉离 子 电池 的 主 要 构
成
正极 电池 盖
作为
型 铿 离 子 电池 正
,
极 隔 膜
,
可 使 电 池 容量 密 度 达
。
— 一 种 特 殊 的 复合 膜 — 有 机 电解 液 为碳
汀
活性物质 为氧化钻锉 等
电压 达
负极
— 电 池 壳 锉 离子 电
。
活 性 物质
纳米正 极 材料
极材 料 矿型
,
。
作 为锉 离 子 电池 用 的纳 米 正
、
已 有 纳米结 晶 尖 晶 石
钡镁 锰
,
池 的优 越 性 是 针 对 于 传 统 的福 镍 电 池
和 氢镍 电 池 下 几个 方 面
订
纳米纤维 纳米管
、
、
聚 毗 咯包 覆 尖 晶石 型
来讲的
,
主要体现在 以
聚毗咯
纳米 复合材料
其 高 空 隙 率 为锉 离 子 的嵌 人 与脱 出 和 有 机溶剂
分
子 的迁 移 提 供 了 足 够 的 空 间
。
工 作 电压 高
比能量 大
目前
,
国 内 的 研究
、
机构 已 开 发 合成 了 钡 镁锰 矿 型 纳米锰 氧 化物
钡
。
循 环 寿命 长 自放 电 率 低 无 记 忆 效应
无污染
。
镁 锰 矿 与水 经锰 矿 型 复 合 层 状 纳米 锰 氧化物 综上 所 述
因为
,
。
在今 后 仍 然 有 发 展 潜力
的 研 究 已 较 为成 熟
。
仇 具 有 良好 的 电 化 学 性 能 和
,
的
,
工作 电压
且 目前对
锉 离子 电 池 的 电 极 材 料 和 电解 质 正 极 材料
。
在 短 期 内仍 将 是 市 场 的 主 流 产 品
但
。
,
与
另
电解 液 的 相 容 性 不 理 想 是 需 要 解 决 的 问 题
铿 钻 氧 化 物
,
其 理 论 容 量 密 度 为
外
,
由于 其价 格 较贵
。
,
加 上 钻 的储 量有 限
,
如果
目前 其 实 际 容 量 密 度 约 为
在性 能价 格 比 上 没 有 突 破 的 话
取代
将有 可 能逐步被
,
。
由于 其具 有 生 产 工 艺 简 单 和 电 化 学
,
性 质稳定 等优 势
所 以 率先 占领 市场
。
作为锉 离
具有 价格 和储量 上 的优势
其实际
通
信
电
源
技
术
年
,
月
容量 已 接 近 理 论 容 量 的
有 自放 电 率低 液 的要 求 较 低 等优 点
, ,
一
。
尽管
或
浓 度为
时溶剂 对 碳 电极 的相 容 性 较好
。
电解质 的
没 有环境污 染
,
对 电解
,
但 只 有 提 高其 工 作 电压
,
并 在制 备 方 法上 适 应工 业 生 产 的要 求
才具有 更
、
锉 聚 合 物 电池
锉 聚 合物 电池 是 目前 最 先进 的 可 充 电 电池
,
、
好 的实 用 性
、
。
具有 安全性 好
电压 高
、
无环境污染
工作
,
欧
美
、
日等各 国都 大力进行 研 究 和开 发
。
聚合
、
成 本 低廉 的 特 点
,
其 三 维 的 隧道 结 构
,
物 锉 离 子 电池 主 要 优 点
量密 度 高 小 无 记忆 效应
、 、
体积 小
一
、
、
重量轻
、
能
比 层 间 化合物 更 利 于 锉 离子 的嵌 人 与脱 出
因此
。
丫
自放 电
是现在 和 今 后 一 段 时 间 内 的 主 要 研 究 对 象 与
电解 液 的相 容性 不 佳
,
但
安 全性 能 好
。
可 制成 任意形
其高温 循 环 寿
状
这是 最 为关键 的
命 短 等是 函 待解 决 的 问题
纳米材料
、
。
现 有 的 铿 离 子 充 电池 由于 电解液 较 多
,
,
可燃
钒 氧化 物 等新 型 材 料
,
虽 然 目前
,
性高
,
在安全方 面 难 以 保证
。
而 铿 高分子 充 电 电
,
还 处 于 探 索 阶段
离实用还 有 相 当距 离
但它 的
池 使 用 多孔性 高分 子 材料为 电解 质 液
,
减少 了 电解
。
兴 起也 为 锉 离 子 电池 正 极 材 料 的发 展 注 人 了
活 力
。
不 易泄露
,
因而 能够 确保其 安 全 性
,
该 电池
的 重 量 能 量 密 度要 达 到
体 积 能量 密
。
负极材 料
碳粉价格 便 宜 树枝状 锉 产 生
的使 用
极
。 。
, ,
度为
丫
汀
、
,
输 出功 率 密 度 为
现
无毒性
,
在 充 放 电过程 中无
有的
充 电池 的 重 量 密 度 为
铿 离 子 充 电 池 为
。
故碳粉 适 用 于 嵌 人式 二 次 锉 电池
通 常 以 锉 嵌 人 后 的碳 取 代 锉金 属 作 为 负
电解 质
铿 聚 合 物 电池 主 要 由正 极
、
负极 与 隔 离 纸 等
,
电解 质 的研究 开 发对锉离 子 二 次 电池 的性 能
和 发 展 是 非常重要 的
。
构成
。
目前所 开 发 的锉 聚 合 物 电池 中
。
高分 子 材
铿 离 子 二 次 电池 的成本 将
。
料 主要 被 应 用 于 正 极 及 电 解 质 有 导 电性 高分 子
、
正极 的材 料包括
,
主要 取 决 于 电解质 的成本
铿 离 子 电池对 电解 质
,
有 机硫 磺 系化 合 物
。
,
或 一 般锉
溶 液 的要 求 是
电压要 高
,
应有 较高 的导 电 性
特别 是对 负
离 子 二次 电池所 采 用 的无 机 化合 物
以 使 用 固态 或胶 态 高 分 子 电 解 质
电解 质则 可
极要 有 高 的锉 嵌人 量 和 相容性
有机 溶 剂 的 分 解
。
或是有 机 电 解
。
以 减 少 自放 电 和 电池 内部 的 气 体 压
、
液
负极则 通 常采 用 铿 金属 或铿碳 层 间 化 合 物
力
使 用 安全
、
无 污染
、
、
价格低廉
锉 聚 合 物 电池 跟 现在 市 面 上 的锉 离 子 电池 来
比较 的话
,
目前 锉 离 子 二 次 电 池 主 要 使 用 的 锉 盐 有
锉 聚合 物 电池在 形 状
、
充放 电
、
信赖
。
等
,
,
一 般将 它 们 溶 解 于
、
性与 环 境 问题 等 方 面 都 还 有 相 当大 的发 展 空 间
在形 状方 面
,
非质 子性 的 有 机 溶 剂 中 碳酸 乙烯 醋 吠喃
、 、
如碳 酸丙 烯醋
、
铿 聚 合物 电池具有 可 薄形化
,
、
可任
碳 酸 二 甲醋
四氢
意 面 积 化与 可 任 意形状化 等 多 项 优 点
配 合 产 品需 求
,
因此 可 以
。
乙 二醇二 甲 醚
。
等
,
,
为了
做成 任何 形状 与 容 量 的电池
,
在
改善 性 能 常 采 用 混 合 有 机 溶 剂 仇 为 强 氧化 剂
,
有人认为
不 宜 用 于 电池
充放 电特 性 方 面
锉 聚合 物 电池 因 为 可 以 采 用 高
,
使用 不 安全
,
分 子 正 极材 料与铿 金 属 负极
其 重量 能 量 密 度 将
以上
。
坛 虽然 性 能 颇佳
但有 毒且 价 格 较 贵 更 不
、
会较 目前 的锉 电子 二 次 电 池 提 高
在 信 赖特性 方 面
,
而
应使用
提纯 困 难
,
价格较 贵
,
但被认为
和
则 因为 高 分 子 锉二 次 电 池 的 电
,
是 目前较 合适 的 电解 质 的混 合溶 剂 中
,
一 般 将 它 溶解 人
解质采 用 高分 子 材料
不 会产 生 漏 液与燃烧爆 炸
与
的配 比 以
等安全 上 的顾 虑
。
目前 许 多 厂 商都 已 推 出商 品化
第
期
,
郑如 定
铿 离 子 电池 和 铿 聚 合物 电 池概 述
、
的高 分 子 锉 二 次 电 池
、 、
包 括 有 日本 的 日立
、
一
充 电方 式所 需 的三 小 时 比
,
美 国 的
、
较 起来
可 以 缩 短 许 多 的 等待 时 间
。
和加拿大 的
等 多 家公 司
。
,
而
能量 密度 提 高 的 可 能性
以 上 三 点 所 提 到 是 目前各公 司 现 有 的 锉 聚 合
所强调 的重 点都是 在 于 其超 薄 的特 性 言
,
一般 而
,
铿 聚 合 物 电池 的 厚 度 约 为
一
与
相
物 电池 已 开 发 完成 的 特性
,
而 未来 锉 聚 合物 电池
。
目前 的 锉 离 子 二 次 电 池 的最 小 厚 度 比可 至 少
降 低
的研 发 重 点则 会 摆在 提 高其 能量 密度
目前实 验
左右
,
因此 可 给 厂 商 在设计
。
中的技 术包 括 使 用 锉 金 属 作 为 负 极 和 使 用 有机
硫
产 品 时提 供 相 当大 的 弹性 空 间
锉 聚 合物 电池 发 展 方 向
。
磺 系 列 化 合 物做 为 正 极
达到
, ,
。
锉 金 属 的容 量 密度 可 以
。
较铿 碳层 化 合 物 高 出许 多
,
电 池 的 大 型 与厚 型 化 锉 聚 合物 电池 可 利 用 曲折
因 此 若 能利 用 锉 金 属 当负极 来 制造 电池
则 电池
堆 栈 或 者卷 绕 等
的理 论 容 量 密 度 可 以 达 到
二 次 电池 系 统 高 出 近 上
,
,
较锉 离 子
方 法 将 电池 的容 量 提 高
。
目前锉 聚 合 物 电 池 可 以
。
左右
。
但 在 实 际使 用
,
达到 的最 小厚 度大 约为
以
,
尺寸
锉 金 属 在 液 态 电 解 液 充放 电 过程 中
会 在锉
因而造
为例
池 容量 可 达 到
,
厚度若增加 到
一
则电
因为
金 属
面 上 产生 树枝 状结 晶
,
的实用 水 准
,
。
高分 子 锉 二 次 电池 的 体 积 小
也 可 以 随需 要 而 变 化
,
电池 的长 度 和 宽 度
成 充放 电 效率 降低
,
甚 至 会 穿破 隔离纸 而造成 电
。
池 短 路 引 起 燃 烧 的严 重 问 题
固态 或 胶态 高分 子 电解 质
,
因此 如 何利 用 搭 配
因此 工 程 师 可 以 随着 产 品
,
实 际可 提供 的 空 间 大小 来设 计 电池
并 得 到所 要
或 者利 用 其 它 方 法 来
求 的 电源 特 性
。
解 决 这项 技术 问 题
程 中 的一 大挑 战
。
,
将 是锉 聚 合 物 电池 在研 发过
电池
电池 可 以 利 用 电极 并 排 的 方式来 增 加 电池 的
工 作 电压
,
硫 化 系 化 合 物 虽 然 具 有 高能 量
、
密度 特性
,
但 目前 在 使 用 上 仍 有 工 作 电 压 低
、
作
但 对 目前 市 面 上 的液 态 电 解 液 电池 来
动 电压倾斜
低 温作动 不 良
。
、
循 环 寿 命 低 等多 项
说
的
,
因 为 会 造 成 短 路 的 问题 所 以 是 完 全 不 可 能
技 术 上 的 问 题 急 待克 服
目前研 发 中 的 硫 磺 系 化
、
。
但 是对 于 高 分 子 锉 二 次 电池来 说
,
,
因 为 它是
合物 正 极 材 料 包 括 有机 硫磺 化 合 物
与 活 性 硫磺 等
。
碳硫 化 合 物
固态 的 电解 质 系 统
所 以 可 以使 用 这 种 方 式 来 降
。
低 电池 的 体 积 和 容器成 本
和 前 面所提 的大型化
、
如果 能利 用 这种 技术
,
锉 聚 合 物 电 池 由于 具有 薄 型 化 的特 性
以 突 破 目前 市 面 上铿 离 子 二 次 电 池
,
将可
厚 型 化互 相 配 合
、
则将 可
。
的厚 度
以 制 造 出各 种 不 同 电压
容 量 与形 状 的 电 池
限制
,
预料 将 可 广 泛 的 应 用 于 未来 的 可 携式 电子
。
保 护 线 路 的简 略化
目前市 面 上 所 销售 的 锉 离 子 二 次 电 池 在 过度
产 品上
此外
,
因 为 锉 聚 合 物 电池 所 使 用 的 电 解
,
质 系 统具 有 不 漏 液
且 耐过 充放 电 等 特性
。
,
将可
充 电 的情 形 下 形
,
,
容 易造成 安 全 阀破裂 而 起 火 的情 线 路 以 确保 电池 不 会
而 高 分 子锉 二 次 电池 则 因
,
大 幅提 高 目前 电 池在 使 用 上 的安 全 性
所 以必须加 装 保 护
。
当然 铿 聚 合物 电 池 也有 缺点 尚待 改进
。
首先
发 生 过 度 充 电的 情 形
目前 开 发 出来 的锉 聚 合 物 电池 的能量 密 度 仍 然偏
具 有 良好 的 耐充 放 电 特性
护
,
因此 可 以 不 必 外 加保
。
低
,
且 多具有低 温 特 性 不 良 的 缺点
,
。
而 在 未来 的
线路 如 此 一 来 可 以 降 低 电池 的 制 造 成 本
,
技术 展 望 方 面
则 必 须 突破 使 用 硫磺 系 化合物与
,
此外在 充 电 方 面
电流 充 电
,
铿 聚 合 物 电池 可 以 利 用
,
定 与锉
锉 金 属 等 高 能 量 密度 正 负极 材料 的技 术 问 题
方
整 个 充 电时 间 大 约 只 需 要
可 达 到 次 世代 电 子产 品 对 高性 能 电池 的 高容 量
与
离 子 二 次 电池 所 采 用 的
低成 本 的要 求
。
1