[练习]锂离子电池和锂聚合物电池概述

[练习]锂离子电池和锂聚合物电池概述 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 合成方法 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