锂基电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用锂离子电池,通常称为锂电池。电池一般采用含锂材料作为电极,是现代高性能电池的代表。由于其高风险,真正的锂电池很少用于日常电子产品中。
锂离子电池最早由日本索尼公司于1990年开发出来,是一种通过在碳(石油焦、石墨)中嵌入锂离子形成负极的电池(现有的锂电池多采用锂或锂合金作为负极)。常用的正极材料有LixCoO2、LixNiO2和LixMnO4。电解液为LiPF6+碳酸二乙酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)。
正极材料采用石油焦和石墨,无毒且资源充足。锂离子嵌入碳中,克服了锂的高活性,解决了传统锂电池的安全问题。负极LixCoO2在充放电性能和寿命方面可以达到较高水平,从而降低成本。换句话说,提高了锂离子电池的整体性能。锂离子电池预计将在21世纪占据很大的市场。
锂离子二次电池充放电时的反应式为LiCoO2+C=Li1-xCoO2+LixC
锂离子电池之间的区别锂离子电池很容易与以下两种类型的电池混淆:
(1)锂电池:以金属锂为正极。
(2)锂离子电池:使用非水液态有机电解液。
(3)锂离子聚合物电池:利用聚合物胶凝液体有机溶剂或直接使用全固体电解质。锂离子电池一般采用石墨等碳材料作为正极。
锂离子电池开发过程:M.S. 1970年,来自埃克森公司的Whittingham发明了第一块锂电池,采用硫化钛作为阳极材料,金属锂作为阴极材料。锂电池的阳极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,阴极材料是锂。电池组装完成后,电池就有电压,无需充电。锂离子电池是在锂电池的基础上发展起来的。例如,过去相机使用的纽扣电池就是锂电池。这种电池也是可充电的,但循环性能较差。在充电和放电过程中,很容易形成锂晶体,导致电池内部短路。因此,一般禁止此类电池充电。
R.R.伊利诺伊理工学院,1982 年。Agarwal 和J.R. Selman 发现锂离子具有嵌入石墨中的特性。这个过程快速且可逆。与此同时,随着金属锂制成的锂电池的安全风险备受关注,人们一直在尝试利用石墨中嵌入锂离子的特性来制造二次电池。第一个可用的锂离子石墨电极在贝尔实验室成功试制。
1983 年,M. Thackeray、J. Goodenough 等人。发现锰尖晶石是一种优良的负极材料,具有成本低、稳定性好、导电性好、导电锂等优点。分解温度高,氧化性能远低于钴酸锂。即使发生短路或过充,也可以避免燃烧和爆炸的风险。
1989 年,A.Manthiram 和J.Goodenough 发现使用聚合物阴离子的阴极可产生更高的电压。
1992年,日本索尼公司发明了一种锂电池,采用碳材料作为正极,含锂化合物作为负极。在充放电过程中,不存在金属锂,只有锂离子。这是锂离子电池。后来,锂离子电池彻底改变了消费电子产品。此类电池采用钴酸锂作为负极材料,是便携式电子设备的主要电源。
1996年,Padhi和Goodenough发现橄榄石结构的磷酸盐,例如磷酸铁锂(LiFePO4),比传统的负极材料更安全,特别耐高温,并且比传统的锂离子电池材料具有明显更好的抗过充电能力。
纵观电池发展史,我们可以看到当前全球电池行业发展的三个特点。一是锂离子电池、镍氢电池等绿色环保电池快速发展。其次,将原电池转变为蓄电池,这符合可持续发展战略。第三,电池向小型化、轻量化、薄型化方向有发展。在商业化的二次电池中,锂离子电池的比能量最高,特别是聚合物锂离子电池可以使二次电池变得更薄。锂离子电池在发达国家快速增长,是因为其具有当前电池产业发展的三大特点:高体积能量和质量比能量、可充电、无污染。通信和信息市场的进步,特别是移动电话和笔记本电脑的广泛使用,为锂离子电池创造了市场机会。在锂离子电池中,聚合物锂离子电池凭借其独特的安全优势,将逐步取代液态电解质锂离子电池,成为锂离子电池的主流。聚合物锂离子电池被誉为“21世纪电池”,将迎来发展前景十分乐观的电池新时代。
2015年3月,日本夏普与京都大学田中功教授成功开发出寿命长达70年的锂离子电池。此次生产的长寿命锂离子电池体积为8立方厘米,充放电次数可达25000次。夏普表示,这种长寿命锂离子电池的性能即使经过10,000 次充放电后仍保持稳定。
锂离子电池组件钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列:
(1)正极——的活性物质一般为锰酸锂、氧化锂、或镍钴锰酸锂材料。电动自行车一般采用镍钴锰酸锂(俗称三元)或三元+少量锰酸锂。纯锰酸锂和磷酸铁锂由于尺寸大、性能差或价格高而逐渐消失。导电电极溶液采用厚度为10~20微米的电解铝箔。
(2) 隔膜——是一种特殊成型的聚合物薄膜。该薄膜具有微孔结构,允许锂离子自由通过,但不允许电子通过。
(3)负极——的活性物质为石墨或具有石墨结构的碳。导电集流体采用厚度为7~15微米的电解铜箔。
(4)有机电解质——是溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯溶剂,在聚合物的情况下,使用凝胶电解质。
(5)电池外壳——分为钢壳(方形很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池用)、铝塑膜(软包装)等。电池帽也是电池的正负极端子。







