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锂离子电池简介及主要应用



  锂离子电池简介及主要应用_能源/化工_工程科技_专业资料。锂离子电池简介 使用煤炭,石油和天然气的很长一段时间以来,都是以化石燃料为主要能源,这 样的能源结构, 使得环境污染严重,并且由此导致的全球变暖问题和生态环境恶 化问题受到越来越多的关注。 所以,可再

  锂离子电池简介 使用煤炭,石油和天然气的很长一段时间以来,都是以化石燃料为主要能源,这 样的能源结构, 使得环境污染严重,并且由此导致的全球变暖问题和生态环境恶 化问题受到越来越多的关注。 所以,可再生能源和新能源的发展成为在未来技术 领域和未来经济世界的一个最具有决定性的影响。 锂离子电池作为一种新的二次 清洁,且可再生能源,其具有工作电压高,质量轻,能量密度大等优点,在电动 工具,数码相机,手机,笔记本电脑等领域得到了广泛的应用,并且显示出强大 的发展趋势。 锂离子电池的发展历史 第二十世纪六十、七十年代,几乎在锂电池是发明的同时,研究发现许多插层化 合物可以与金属锂的可逆反应,构成锂电池 [1]。早在第二十世纪七十年代提出 了分层组织作为阴极的斯梯尔最有代表性的一种,金属锂作为阳极的 Li-TiS2 系 统。 1976 年 Whittingham 证实了系统的可靠性。随后,埃克森公司的 Li-TiS2 系统进 行深入研究, 并希望其商业化。 但是, 系统很快就暴露出许多致命的缺陷。 首先, 活性金属锂容易导致有机电解液的分解,导致电池内部压力。由于锂电极表面的 表面电位分布不均匀,在锂金属的电荷将在锂沉积的阴极,产生锂“枝晶” 。一 方面会造成可逆嵌锂容量损失,另一方面,枝晶可以穿透隔膜和负极连接,造成 电池内部短路,瞬间吸收大量的热,发生爆炸,导致严重的安全隐患。这一系列 因素导致金属锂电池的循环性能和安全两差异,所以 Li-TiS2 系统未能实现商业 化。 1980, 阿尔芒首次提出摇椅电池的想法。使用低锂嵌入化合物锂化合物代替金属 锂作为阳极,采用高嵌锂电位嵌锂化合物作正极。同年,在美国德州大学 Goodenough 教授的国家提出了一系列的锂过渡金属氧化物 LixMO2(M=Co 、 Ni 或 Mn) 为 两 电 池 正 极 材 料 锂 。 1987 , 奥 邦 成 功 组 装 了 浓 差 电 池 MO2 (WO2)/LiPF6-PC/LiCoO2 和证明“摇椅电池”的想法的可行性,但由于负电极材 料形成 LiMoO2 CLiWO2 嵌入电位高(0.7-2.0 V vs.Li/Li+)嵌锂容量较低,并没有 显示高电压的锂离子二次电池的优点,比容量高。 1987 ,日本的索尼公司使用锂嵌入焦炭 (LiXC6) 取代锂金属作为阳极,通过 LixC6/LiC1O4+PC+EC/Li1-XMO2(M=Co, Ni, Mn)的电池系统,是可逆的嵌脱锂 的碳材料为负极, 同时保持高电压比在同一时间的能量,成功地解决了锂离子二 次电池的循环寿命低的缺点,安全性能差。 纯锂离子电池的研究起步于 80 年代后期的 1989,在第二十世纪,日本 nagoura 等人。发展到锂离子电池的两倍阳极石油焦为正极、锂离子钴作为阴极。在同一 年,公司正式推出市场的市场结构为 C(焦炭)/LiPF6+PC+DEC/LiCoO2 的第一代 商用锂离子电池,并首次利用锂离子电池的概念。此后,在锂离子电池材料研究 的不断深入和系统的研究, 1997, 索尼公司将石默坐正极的锂离子电池的商业化。 由于锂离子电池的快速发展时代的到来,目前已在相机、手机、笔记本电脑、电 动工具等小型二次电池市场占有最大份额, 也在近几年电动汽车锂离子电池也得 到了快速的发展。 在电池的发展史上, 你可以看到这个世界电池工业的发展的三个特点,一是绿色 环保电池的快速发展,包括锂离子电池,镍氢电池等;二是电池的转换,这是一 个可持续发展策略;第三是光电池,进一步向小,薄的方向发展。在电池的商业 化中,锂离子电池的比例是最高的,特别是聚合物锂离子电池,可实现薄形的充 电电池。由于锂离子电池的体积小,能量高,质量轻,并且可以充电,无污染, 具有电池行业的发展的三个主要特点,所以它在发达国家迅速增长。近年来,电 子信息市场的发展, 特别是移动电话和笔记本电脑的使用,为锂离子电池带来更 多的市场机会。 由于锂离子电池具有安全的独特优势,它将逐步取代传统电池成 为主流。 聚合物锂离子电池被称为二十一世纪的电池,这是一个锂离子电池的新 时代,其发展前景非常乐观。 锂离子电池的组成 锂离子电池是由四部分组成,正极材料,正极材料,隔膜和电解液等。正极材料 为锂离子电池提供锂离子,常见的有锰酸锂、钴酸锂和镍钴锰酸锂材料;负极材 料在锂离子电池中的主要作用是储存锂离子,在电池的充放电中,实现锂离子的 嵌入和脱嵌, 主要是石墨; 隔膜在锂离子电池中的作用是阻止电子在正负极之间 自由穿梭,但是电解液中的离子可以自由通过,常见的材料为单层 PP 膜、PE 膜 以及 PP/PE/PP 三层复合膜[2],电解质在锂离子电池正负极之间的离子传导,目 前使用最广泛的电解质 LiPF6。 锂离子电池的工作原理 锂离子电池的工作原锂不同于一般电池的氧化-还原过程,而是 Li+的嵌入-脱嵌 过程, 即锂离子可以可逆的从主体材料中嵌入或脱出。 在充电和放电的两个阶段, Li+在正负两个不同电极间来回嵌入和脱嵌:充电池时, Li+先从正极实现脱嵌, 通过电解质到达负极,在负极嵌入,此时,锂离子电池的负极实现富锂的状态; 放电时的过程与充电时互为逆过程。 锂离子电池的正极材料由一种嵌锂式化合物 组成,如果有外界电场,正极材料中的 Li+可以在电场的作用下从晶格中实现脱 出和嵌入。 以 LiCoO2 为例,其电极与电池反应如下: 正极: LiCoO2 → xLi+ + Li1-xCoO2 + xe负极: xe- + xLi+ + 6C → LixC6 电池: LiCoO2 + 6C ? Li1-xCoO2 + LixC6 (3) (1) (2) 锂离子电池的优缺点 1) 锂离子电池的优点[5] (1)高电压开路电压通常为 3.6 V,而镍氢电池和镍镉电池开路功率仅为 1.2 V. (2)大容量,高能量和高储能密度,锂电池的核心价值,在相同的输出功率, 对锂离子电池不仅比镍氢电池轻一半的重量,体积小 20%。 (3)生命周期:锂离子电池的循环寿命很长,一般为 1000 倍,而镍氢和镍镉电 池一般只有 500 次。 (4)放电率:锂离子电池充电快,只有 1-2 个小时的时间可以充电,达到最佳 状态。同时,锂离子电池泄漏是不可多得的。而锂离子电池自放电率低,低于 10%/月,远低 20%的镍镉电池和镍氢电池 30%。 (5) 工作温度: 锂离子电池的工作温度范围宽, 在 20℃-60℃温度下都可以使用。 (6)锂离子电池无记忆效应:锂离子电池可以充放电不充分而不降低其容量。 2) 锂离子电池的缺点 (1) 锂离子电池的内部阻抗高。由于锂离子电池电解液为有机溶剂,其电导 率比镍镉电池的电解质溶液, 金属氢化物镍电池要低得多,所以锂离子电池的内 部阻抗比镍氢电池和镍镉电池的 11 倍左右。 (2) 工作电压变化较大。对电池放电到额定容量的 80%,镍镉电池的电压变 化很小(约 20%),锂离子电池电压变化较大(约 40%)。这是电池供电的严重缺 陷。然而,由于锂离子电池的放电电压高,很容易检测到电池的剩余电量。 (3) (4) 电极材料的成本还是比较高的。 对锂离子电池的装配的要求也更加严格,需要低湿度的条件下完成的, 电池的结构比较复杂,和特殊的保护电路是需要的。 (5) 锂离子电池用有机电解液,使电池有一定的安全隐患的。 锂离子电池的主要应用领域 在第二十个世纪的 90 年代,主要应用于各种便携式电子产品的锂离子电池,电 池与材料性能和设计技术的进步,锂离子电池的应用范围不断扩大。目前,锂离 子电池的主要应用在以下领域: 1) 电子产品中的应用 由于能源和重高的体积比能量,锂离子电池可以做的更小,更轻,因此便携式电 子产品的品种得到了广泛的应用。手机,数码相机,摄像机,笔记本电脑和掌上 游戏机(PSP)的普及,锂离子电池市场一直保持快速增长,并占据了大部分的市 场份额。 在大电流充放电性能的提高,锂离子电池也将扩大其在无线电话和电动 工具领域的分享。 2) 运输车辆上的应用 (1)电动自行车 作为未来城市交通发展的主要模式,公共交通已经得到各界的认可,但“公共交 通”总运输只能形成一个广泛的网络,很难满足服务点的不同点。而对于短距离 运输电动自行车等方式补充说: “这种缺乏公共交通” 。此外,在对中国国情的客 观因素来看, 电动自行车更优秀很多点和实用性。电动自行车将不在驱动产生污 染,电动汽车和电动自行车的工业发展开始符合中国国情的开始。因此,这种自 行车制造商的研究和开发,如中国蘑菇生长。特别是近年来,随着石油资源的短 缺和环境污染的加剧。为了解决能源和污染问题,全球开发热潮再次上升,和电 动自行车已成为一个新的绿色产业,政府积极推动型。 ” 。 (2)电动汽车 替代进口油一举两得锂离子电动汽车的发展,减少温室气体排放。电动汽车的发 展, 在符合科学发展观, 是中国汽车工业的战略机遇, 是国家的战略选择 “八五” 以来,电动汽车被正式的国家重点工程。 “十五”和“五一一”电动汽车项目中, 被列入“863”12 计划重大专项。我国锂离子电池的电动汽车的技术优势和发达 的国家,具有资源优势和市场优势。因此,重点研究的焦点,并迅速推动锂离子 电池电动汽车的产业化, 是中国国情的战略选择, 也是确保能源安全的重要途径。 在 2008 北京奥运会, 中国自主研发的 50 以上的纯电动公交车奇迹般地创造了零 锚,零故障记录,对科技奥运全世界解释,绿色奥运的魅力和风格;2010 上海 世博会将是一个伟大的首次超过 1000 辆,包括燃烧材料汽车电池,混合电动汽 车四种类型,超级电容车和纯电动汽车等新能源汽车。世博会期间,约 10000 吨,估计节省传统燃料,减少有害气体排放 118 吨,减少 28400 吨温室气体的排 放。此外,电动汽车充电站和其他相关设施已建成并投入使用,我国电动汽车产 业发展日趋成熟。 3) 在航空航天上的应用 2004 锂离子电池已用于火星着陆器和火星车。在探索任务未来系列也将使用锂 离子电池。此外,美国宇航局的太空探索机构,其他航天机构考虑到锂离子电池 在空间任务中的应用。 目前, 在航空领域的锂离子电池的主要功能是提供用于发 射和飞行校正的支持,和地面操作,同时提高电池的效率和支持夜间操作。 4) 在储能装置中的应用 利用峰谷电力监管是一个困难的问题, 通常确保高峰用电, 需要建设更多的电厂, 但这种方式,既增加了投资成本,并在低发电厂需要照常运行,造成了能量的浪 费。因此,一些企业投资兴建发电厂跳出来的想法,改变了大中型能源存储设备 的采购,低收费,在用电高峰期的储电能,分时收费,形成双赢的局面。作为一 种绿色电池,由于高能量密度的锂离子电池,循环性能好,高电荷保持性能,是 公认的高容量、高功率电池的理想选择。