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锂电池

2015-7-8 08:36  查看: 4027

“锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

中文名

锂电池

外文名

Lithium Cell

发明家

M. S. Whittingham

化学反应

氧化还原反应

目录

• 1工作原理

• 2早期研发

• 3发展进程

• 4种类

• 5电池材料

• ▪ 碳负极材料

• ▪ 锡基负极材料

• ▪ 氮化物

• ▪ 合金类

• ▪ 纳米级

• ▪ 纳米氧化物

• 6电池鼓壳

• ▪ 外壳特性

• ▪ 保护措施

• ▪ 爆炸原因

• ▪ 爆炸类型

• ▪ 设计规范

• 7导电涂层

• 8涂碳铝箔

• ▪ 应用范围

• ▪ 作用

• ▪ 建议参数

• ▪ 注意事项

• 9辨别电池

• 10选购方法

• 11锂原电池

• ▪ 二氧化锰

• ▪ 亚硫酰氯

• 12锂离子

• 13核聚变

• 14电池结构

• 15电池应用

• 16发展前景

• 17电池产量

• 18电池特点

• ▪ 优点

• ▪ 缺点

• 19电池特征

• 20安全性

• 21充电知识

• ▪ 充电电压

• ▪ 长充深充

• ▪ 过充过放

• ▪ 充电说明

• 22相关知识

• ▪ 电池寿命

• ▪ 影响因素

• ▪ 使用事项

• ▪ 保存方法

• ▪ 常见型号

• 23充电速度

• 24水溶液电池

• 25手机锂电池使用方法

1工作原理编辑

锂金属电池：

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

锂电池基本原理

放电反应：Li+MnO₂=LiMnO₂

锂离子电池：

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

充电正极上发生的反应为

LiCoO₂==Li_(1-x)CoO₂+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe- = LixC₆

充电电池总反应：LiCoO₂+6C = Li_(1-x)CoO₂+Li_xC₆

正极

正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：

LiCoO2	3.7 V	140 mAh/g
Li2Mn2O4	4.0 V	100 mAh/g
LiFePO4	3.3 V	100 mAh/g
Li2FePO4F	3.6 V	115 mAh/g

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 充电时：LiFePO₄ → Li_1-xFePO₄ + xLi+ + xe-放电时：Li_1-xFePO₄ + xLi+ + xe- → LiFePO_4。

负极

负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

充电时：xLi+ + xe- + 6C → Li_xC₆

放电时：Li_xC₆ → xLi+ + xe- + 6C

2早期研发编辑

锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低，放电电压平缓等优点，使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池，就广泛用于计算器，数码相机、手表中。

为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究，从而制造出前所未有的产品。

1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小。

3发展进程编辑

1、1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。

2、1980年，J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

3、1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

4、1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

5、1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

6、1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

7、1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁(LiFePO4)，比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。

随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展。1998年，天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上，人们把锂离子电池也称为锂电池，但这两种电池是不一样的。锂离子电池已经成为了主流。

4种类编辑

代号	化学成份分类	正极	电解液	负极	公称电压	附注
B	锂-氟化石墨电池	氟化石墨(一种氟化碳)	非水系有机电解液	锂	3.0V
C	锂-二氧化锰电池	热处理过的二氧化锰	高氯酸锂非水系有机电解液	锂	3.0V	最常见的一次性3V锂电池，常简称锂锰电池
E	锂-亚硫酰氯电池	亚硫酰氯	四氯铝化锂非水系有机电解液	锂	3.6V或3.5V
F	锂-硫化铁电池	硫化铁	非水系有机电解液	锂	1.5V	可用来替代一般1.5V碱性电池，常简称锂铁电池
G	锂-氧化铜电池	氧化铜	非水系有机电解液	锂	1.5V

5电池材料编辑

碳负极材料

已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。

锡基负极材料

锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。没有商业化产品。

氮化物

也没有商业化产品。

合金类

包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金 ，也没有商业化产品。

纳米级

纳米碳管、纳米合金材料。

纳米氧化物

目前根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向，诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。

6电池鼓壳编辑

外壳特性

锂，原子序数3，原子量6.941，是最轻的碱金属元素。为了提升安全性及电压，科学家们发明了用石墨及钴酸锂等材料来储存锂原子。这些材料的分子结构，形成了纳米等级的细小储存格子，可用来储存锂原子。这样一来，即使是电池外壳破裂，氧气进入，也会因氧分子太大，进不了这些细小的储存格，使得锂原子不会与氧气接触而避免爆炸。

保护措施

锂电池芯过充到电压高于 4.2V 后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压 高于 4.2V 后， 正极材料内剩下的锂原子数量不到一半， 此时储存格常会垮掉， 让电池容量产生永久性的下降。 如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会 由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路 发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破 裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。