锂电池的原理和应用

一、锂电池的发展简介

■20世纪70年代末，以金属锂为负极，氧化钼、氧化钒为正极的锂蓄电池以研发成功；

■80年代中后期，以聚氧化乙烯（PEO)等导电聚合物为电解质膜的锂二次电池也研发成功。但由于安全可靠性及电压体系等种种原因未能投入商业市场； ■1991年日本索尼公司首次推出的以碳材为负极，以钴酸锂材料为正极的二次锂电池。由于他有金属锂，成为锂离子电池，成功的解决的锂电池的安全可靠性问题，立即的被市场接受并成为笔记本和手机等IT产业的电池。初期的锂离子代表的产品有18650圆柱型电池，标称容量为1800mah；

■90年代中后期，手机采用3.6V系统，并且已经实现了小型化。要求减少电池的厚度和体积，出现了方形电池。电池厚度变化从10mm减薄至5mm。现在已经有3.5mm的铝壳手机问世；

■1999年，日本索尼等四家公司几乎同时推出用铝塑薄膜最为外壳包装的聚合物锂离子电池。当时电池尺寸为305062，容量为550mah。经过几年的研究，集合物锂离子电池其厚度可以从1mm到10mm,容量可以从40mah到5000mah; ■方形聚合物锂离子电池在2000年开始出现批量生产，初期年产量为1100万颗，预计至2005年的年产量可达到2.3亿万颗，年均增长率为79%，预计液态锂离子电池的年产量为5亿只。电池尺寸厚度变薄同时电池重量比能量也大幅度增长，从130wh/kg增加到150wh/kg;现在世界上的聚合物锂离子电池的重量比能量已提升到180wh/kg左右的水平，比液态锂离子电池高出10%以上。

二、锂离子电池的工作原理及其结构

1、工作原理

锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间的距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电的可逆性来看，锂离子电池反应是一种理想的可逆性反应。

2、锂离子电池结构：

■正极：预先锂化的过渡金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等 ■负极：具有特殊结构的碳材，如软碳，硬碳石墨和石墨化碳纤维等

■电解液：有机溶剂和锂盐的溶液，例如 PC（碳酸丙稀酯）、EC（碳酸乙烯酯）、DMC（二甲基碳酸）、DEC（二乙基碳酸）、1MLiPF6电导率为6.79MS/cm,水含量为ppm.HF量8ppm

■隔膜：多孔聚丙烯（PP）或聚乙烯（PE）膜

■包装材料：铝塑复合膜

三、锂离子电池性能

■电性能

（一）、电压

1、开路电压：电池与外电路没有接通时，即没有电流流过电极之间的电位差，等于正极电位和负极电位之间的差值。如锂离子电池的开路电压为4.1V，铅酸蓄电池为2.1V。

2、工作电压：又称放电电压或负载电压，是指电池对外输出电流时，电池两极间的电位差。工作电压总是低于开路电压。

3、终止电压：电压充放电时，电压上升或下降到某数值时，电池不宜在继续充电或放点的工作电压。一般在充电时。终止电压为4.2V，放电时为3.0V或

2.75V。

（二）、容量

电池容量是电池对用电器输出的电量。单位为mAh或Ah。容量大小是由正负极中活性物质的数量来决定的。

1、额定容量：在设计和制造电池时，规定电池在一定放电电条件下应该放出的最低限度的电量。

2、比容量：为了对不同的电池进行比较，引入比容量概念。比容量是指单位质量或单位体积电池所给出额容量，成为质量比容量或体积比容量。

3、影响电池容量的因素：

a、电池的放电速度（通常以电流强度mA来表示）：电流越大输出容量减少；

b、电池的放电温度：温度降低，输出容量减小

c、电池放电终止电压：是由用电器和电池反应本身的限定来设定的，例如：充电时，终止电压为4.2V，放电时为3.0V或2.75V。

d、电池的贮存时间：电池经过长时间贮存后，电池的放电容量会相应减少。

（三）、内阻

电池内阻包括欧姆电阻（RΩ）和电极在电化学反应时所表现的极化电阻（Rf)。欧姆电阻、极化电阻之和为电池的内阻（Ri)。欧姆电阻由电极材料、电解液、隔电阻及各部分零件的接触电阻组成。隔膜电阻是当电流流过电解液时，隔膜有效微孔中电解液所产生的电阻（RM ）。

（四）、能量和比能量

电池在一定条件下对外做功所输出的的电能叫电池的能量，单位一般用wh表示。

1、理论能量

电池的放电过程处于平衡状态，放电电压保持电动势（E）数值，且活性物质利用率为100%，在此条件下电池的输出能量为理论能量（W0),即可逆电池在恒温恒压下所做的最大膨胀功（W0=C0E）。

2、实际能量

电池放电时实际输出的能量成为实际能量

3、比能量

单位质量和单位体积的电池所给出的能量，称质量比能量或体积比能量，也称能量密度。比能量的单位为wh/kg或wh/L.

四、锂电池的应用

■聚合物锂离子电池的典型应用主要有移动电话、笔记本电脑、手持电脑、个人数学助理（PDA）、MP3、智能卡、手表、耳机、DVD和VCD播放器、HEVs等。

五、国内外锂离子电池生产情况

近年来，随着电子产品向小型化、微型化的迅速发展，对电池产品提出了更高的要求。由于锂离子电池优良的综合性能适应了这种要求，所有锂离子电池的增长势头非常迅猛。

从世界范围来讲，主要的发达国家都在生产和压法新型锂离子电池，其中日本占主要地位。近几年来中国锂离子电池发展也异常迅速，年产量已经超过了一亿颗以上，再过几年就就可能超过日本，成为锂离子电池生产大国。