2高性能電池的參數(shù)

一般而言,高性能電池應(yīng)滿(mǎn)足如下20項(xiàng)參數(shù)

①電池電壓高,在放電區(qū)的大部分區(qū)域有著穩(wěn)定的放電平

質(zhì)量Whkg減或體積Whdm)的儲(chǔ)能密度高;③電池電阻低;

位質(zhì)量Wkg)或體積wWdm2)的輸出峰功率大;⑤持續(xù)輸出功率

⑥工作溫度范圍寬;⑦擱置壽命長(zhǎng);⑧工作壽命長(zhǎng);⑨成本低

使用可靠性高;①密封性好,耐液漏;耐濫用;①3在使用和事故

節(jié)下安全;①組成材料易得,且對(duì)環(huán)境影響小;①適宜于再生;⑩

放電效率高;①循環(huán)性能優(yōu)越;⑩可進(jìn)行快速充電;①9可承受過(guò)充

和過(guò)放電;②2不需要維護(hù)。

但是,對(duì)于實(shí)用電池而言,要滿(mǎn)足上述全部20項(xiàng)高性能指標(biāo)很

做到。但是,一些關(guān)鍵的參數(shù),例如單位質(zhì)量和體積的能量密度必

滿(mǎn)足要求。對(duì)于鋰離子電池而言,主要是滿(mǎn)足質(zhì)量和體積容量密度

輸出功率大、循環(huán)性能優(yōu)良、放電區(qū)平穩(wěn)、可進(jìn)行快速充放電等

要求

3鋰離子電池的誕生過(guò)程

任何事物的誕生都有一定的背景。鋰離子電池的產(chǎn)生同樣也離不

這一點(diǎn)。20世紀(jì)60、70年代發(fā)生的石油危機(jī)迫使人們?nèi)ふ倚碌?/p>

代能源。由于金屬鋰在所有金屬中最輕、氧化還原電位最低、質(zhì)量

量密度最大,因此鋰電池成為了替代能源之一。在20世紀(jì)70年代

實(shí)現(xiàn)了鋰原電池的商品化。鋰原電池的種類(lèi)比較多,其中常見(jiàn)的為

Mn2、LiGF2(x<1)、Li/soc前兩者主要是民用,后者主要是

用。與一般的原電池相比,它具有明顯的優(yōu)點(diǎn)

①電壓高,傳統(tǒng)的干電池一般為15,而鋰原電池則可高i

②比能量高,為傳統(tǒng)鋅負(fù)極電池的2~5倍;

③工作溫度范圍寬,鋰原電池般能在-40~70°C下工作;

④比功率大,可以大電流動(dòng)力電池夾具探針放電;

⑤放電平穩(wěn),大多數(shù)鋰次電池具有平穩(wěn)的放電曲線

⑥儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng),預(yù)期可達(dá)10年。

因此在鋰原電池的推動(dòng)下,人們幾乎在研究鋰原電池的同時(shí)就開(kāi)

始可充放電的鋰一次電池的研究

隨著人口的日益增加,而地球資源有限,因此迫使人們提高對(duì)資

源的利用率,而采用充電電池是有效途徑之一,從而推動(dòng)了鋰一次電

的研究和發(fā)展。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng),鉛、鎘等有毒金屬的使用日益受

到限制,因此需要尋找新的可替代傳統(tǒng)鉛酸電池和鎳-鎘電池的可充

電電池。鋰二次電池自然成為有力的候選者之

電子技術(shù)的不斷發(fā)展推動(dòng)各種電子產(chǎn)品向小型化發(fā)展,如便攜電

話(huà)、微型相機(jī)、筆記本電腦等的推廣普及,而小型化發(fā)展必須伴隨著

電源的小型化。傳統(tǒng)鉛酸電池等的容量不高,因此也必須尋找新的電

池體系。鋰原電池的優(yōu)點(diǎn)使鋰二次電池成為強(qiáng)有力的候選者

在20世紀(jì)80年代末以前,人們主要集中在以金屬鋰及其合金為

負(fù)極的鋰一次電池體系。但是鋰在充電時(shí)候,由于金屬鋰電極表面的

不均勻凹凸不平)導(dǎo)致表面電位不均勻,從而造成鋰的不均勻沉積。

該不均勻沉積過(guò)程導(dǎo)致鋰在一些部位沉積過(guò)快,產(chǎn)生樹(shù)枝一樣的結(jié)晶

(枝晶)。當(dāng)枝晶發(fā)展到一定程度時(shí),一方面會(huì)發(fā)生折斷,產(chǎn)生“死

鋰”,造成鋰的不可逆;另一方面更嚴(yán)重的是,枝晶穿過(guò)隔膜,將正

極與負(fù)極連接起來(lái),結(jié)果產(chǎn)生短路,生成大量的熱,使電池著火、甚

至發(fā)生爆炸,從而帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。其中具有代表性的為20世

70年代末Eon公司研究的Ls體系,充放電過(guò)程示意如下

x+Ts2放電LTs2

盡管EOn公司未能將該鋰二次電池體系實(shí)現(xiàn)商品化,但它對(duì)鋰

(1-5)

次電池研究的推動(dòng)作用是不可低估的。該種以金屬鋰或其合金為負(fù)

的鋰一次電池之所以不能實(shí)現(xiàn)商品化,主要原因是循環(huán)壽命的問(wèn)題

有得到根本解決,因?yàn)?/p>

①如上所述在充電過(guò)程中,鋰的表面不可能非常均勻,因此不

能從根本上解決枝晶的生長(zhǎng)問(wèn)題,從而不能從根本上解決安全隱

②金屬鋰比較活潑,很容易與非水液體電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生

壓,造成危

隨后1980年 Goodenough等提出了氧化鈷鋰LcoO2)作為鋰充電

池的正極材料,揭開(kāi)了鋰離子電池的雛形,1985年發(fā)現(xiàn)炭材料可

離子電池的原形設(shè)計(jì),并實(shí)現(xiàn)了LMs充電電池的商品化,但是

89年LMoS2充電電池發(fā)生起火事故完全導(dǎo)致該充電電池的終結(jié)

主要原因還是在于沒(méi)有真正解決安全性問(wèn)題?！扒Ш羧f(wàn)喚始出來(lái)

們終于在20世紀(jì)80年代末、90年代初發(fā)現(xiàn)用具有石墨結(jié)構(gòu)的炭材

取代金屬鋰負(fù)極,正極則用鋰與過(guò)渡金屬的復(fù)合氧化物如氧化鈷

,這樣構(gòu)成的充電電池體系可以成功地解決以金屬鋰或其合金為負(fù)

的鋰二次電池存在的安全隱患,并且在能量密度上高于以前的充放

電池。同時(shí)由于金屬鋰與石墨化炭材料形成的插入化合物

包級(jí)個(gè)mC的電位與金屬鋰的電位相差不到0s

此電壓損失不大。在充電過(guò)程中,鋰插入到石墨的層狀結(jié)構(gòu)中,放

時(shí)從

構(gòu)中跑出來(lái),該過(guò)程可逆性很好,所組成的鋰一次電池

E能非常優(yōu)良

另外,炭材料

便宜

有毒性

處于放狀態(tài)時(shí)在空氣中比較穩(wěn)定,這樣一方面避免使用活潑的金屬鋰,另

方面避免了枝晶的產(chǎn)生,明顯改善了循環(huán)壽命,從根本上解決了安

問(wèn)題。因此在1991年該一次電池就實(shí)現(xiàn)了商品化

按照經(jīng)典的電化學(xué)命名規(guī)則,充電電池的命名應(yīng)該是正極在前、

極在后,這樣該電池體系應(yīng)該命名為“氧化鉆鋰-石墨充電電池

是這對(duì)于普通老百姓而言,不容易記,因此應(yīng)該有一個(gè)簡(jiǎn)單的名字

于充放電過(guò)程是通過(guò)鋰離子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,因此人們便將其稱(chēng)之為

里離子電池”。對(duì)于該電池體系的命名而言,不應(yīng)該求全責(zé)備,因

單從名字上不可能對(duì)其性質(zhì)有所了解。在我國(guó),為了方便交流,企

界將“鋰離子電池”簡(jiǎn)稱(chēng)為“鋰電