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鋰離子電池的誕生及研製過程

鋰離子電池是繼鎳氫電池後研發的一種新型二次電池。鋰位於元素周期表中第一族主族的第一位,是金屬中最輕的元素,有最負的標準電位,組成的電池能量密度大、電壓高。 1962年Boston電化學會上最初提出鋰非水性二次電池,這因為鋰同水容易發生析氫反應, 必須使用不能被鋰還原的非水溶劑,即使用非質子性的穩定溶劑。後來隨著嵌入化合物化學的發展,1976年開始研究鋰對石墨的電化學嵌入,1980年開始研究LiCoO2和LiNiO2層狀化合物,同年意大利科學家提出了嵌入離子的搖椅概念。終於在20世紀90年代初,Sony公司采用碳材料作負電極、鋰鈷氧化物作正電極和含鋰鹽的有機溶劑為電解質,開發出了第一代鋰二次電池,即鋰離子電池或搖椅電池。這種電池充電時鋰離子從正極脫出而嵌人負 極,放電時過程相反,鋰離子從負極脫出嵌人正極。這種電池的工作模式是鋰離子在正、負電極中作搖椅式來冋運動。

鋰離子電池的負極電位相對鋰電極為正,正極電位為4.0V。該電池的丁作電壓高,約為3.6V。高電壓是鋰離子電池最主要的優點,一個鋰離子電池的端電壓相當於3個鎳氫電池或鎘鎳電池串聯後的端電壓,但對於便攜式設備的應用來說這是個缺點,因為筆記本電腦的芯片、手機芯片的電源電壓趨於下降,這將挑戰3.6V鋰離子電池的應用。鋰離子電池有較高的比能為鎳氫電池的1.5倍和鉛酸電池的3倍,放電曲線平穩,A放電率低,循環 壽命長,弓鎳氫電池一樣,無記憶效應,無汙染,也被稱為綠色電池。

鋰離子電池采用卷繞式結構,蓋體設計複雜,功能性多,強化了安全保護。這種高比能 量電池必須經過規範的安全檢測評估。鎳氫和鎘鎳電池的電解液是水溶液,而鋰離子電池必 須用非水性電解液,其電導率低得多,因此電極要大大減薄,製備又薄又長的正負電極,要有著不同的電極製備工藝。鋰離子電池同樣有圓柱式、扁平式、紐扣式和動力用電池組等類型。Sony公司生產的14500電池的容量為500mAh,尺寸為14.3mmX50.4mm,重量為 19g;18650電池的容量為1350mAh,尺寸為18. 4mmX64. 9mm,重量為40g。

鋰離子電池能夠很好地配合電子產品小型化、袖珍化的發展方向.以滿足手機和筆記木 電腦又薄又輕的要求,三洋超薄電池的厚度僅為4mm,重量比能量為160Wh/kg,體積比能量為360Wh/L。

最近發展的聚合物鋰離子電池被稱為第二代鋰離子電池,由於采用導電聚合物電解質和特別的流延工藝.容易製備特別薄的和不同形狀的電池。美國和日本先後宣布開始聚合物鋰 離子電池的生產。鬆下公司生產的聚合物鋰離子電池的容量為600mAh,尺寸為3. 6mmX 35mmX62mm (扁平式),重量為15g。

用LiCoO2複合金屬氧化物在鋁板上形成陽極,用鋰碳化合物在銅板上形成陰極,極板間插入帶有亞微米級微孔的聚烯烴薄膜隔板,電解液為有機溶劑。為避免因使用不當而造成電池損壞,在鋰離子電池內設有以下3種安全機構:

正溫度係數元件(PTC)。當電池內的溫度過高時,PTC的阻值隨之上升.會自動將陰極引線與陰極之間的電路切斷。

特殊材料的隔板。當電池內溫度上升到一定數值時,隔板上的微孔會自動溶解掉,從而使電池內的反應停止。

安全閥。當電池內部壓力升高到一定數值時,安全閥將向動打開。

鋰離子電池易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴格限製。充電速率(蓄電池的充電電流通常用充電速率C表示,C為蓄電池的額定容量,例如用2A電流對lAh電池充電,充電速率就是2C;同樣地,用2A電流對500mAh電池充電,充電速率就是4C)通常不超過1C,最低放電電壓為2.7〜3.0V,如再繼續放電,則會損壞電池。鋰離子電池以恒流轉恒壓方式進行充電。采用1C充電速率充電至4.1V時,充電器應立即轉入恒壓充電,充電電流逐漸減小;當電池充足電後,進人涓流充電過程。為避免過充電或過放電,鋰離子電池不僅在內部設有安全機構,充電器也必須采取安全保護措施,以監測鋰離子電池的充放電狀態。

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