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锂電(diàn)池系分類及材料介紹

發布時間:2018-02-28

      通(tōng)常人們俗稱其為(wèi)锂電(diàn)池,锂電(diàn)池又(yòu)分多(duō)種锂系列,如锂離子電(diàn)池和锂金屬電(diàn)池(金屬锂),以锂合金或锂金屬作為(wèi)負極材料的一(yī)種電(diàn)池,最早在1912年(nián)便由Gilbert N. Lewis提出。    


     锂金屬電(diàn)池為(wèi)一(yī)次電(diàn)池(不可充電(diàn)),相(xiàng)比其他锂電(diàn)池系,锂金屬電(diàn)池對加工(gōng)、保存、環境、寬溫條件(jiàn)的要求高(gāo)。金屬锂在循環過程中會(huì)有锂枝晶的産生(shēng),而且金屬锂十分活潑,容易與空氣中的氧氣和水(shuǐ)分等發生(shēng)反應,并且金屬锂不能(néng)耐高(gāo)溫,給電(diàn)池的組裝和應用帶來困難,所以這類锂電(diàn)池必須采用非水(shuǐ)電(diàn)解質,它們通(tōng)常由有機(jī)溶劑和無機(jī)鹽組成,以不與锂和電(diàn)池其他材料發生(shēng)持續的化學反應為(wèi)原則。


     非水(shuǐ)電(diàn)解質常用:LiClO4、LiAsF6、LiAlCl4、LiBF4、LiBr、LiCl等無機(jī)鹽作锂電(diàn)池的電(diàn)解質,而有機(jī)溶劑則一(yī)般是用PC、EC、DME、BL、THF、AN、MF中的二、三種混合作為(wèi)有機(jī)溶劑使用。


      锂電(diàn)池系的正極活性物(wù)質常用的有:固态鹵化物(wù)如氟化銅(CuF2)、氯化銅(CuCl2)、氯化銀(yín)(AgCl)、聚氟化碳((CF)4),固态硫化物(wù)如硫化銅(CuS)、硫化鐵(FeS)、二硫化鐵(FeS2),固态氧化物(wù)如二氧化錳(MnO2)、氧化銅(CuO)、三氧化钼(MoO3)、五氧化二釩(V2O5),固态含氧酸鹽如鉻酸銀(yín)(Ag2CrO4)、铋酸鉛(Pb2Bi2O5),固态鹵素如碘(I2),液态氧化物(wù)如二氧化硫(SO2),液态鹵氧化物(wù)如亞硫酰氯(SOCl2)。因此,锂一(yī)次電(diàn)池有很多(duō)系列,常見(jiàn)的有锂-二氧化錳、锂-硫化銅、锂-氟化碳、锂-二氧化硫和锂-亞硫酰氯等。


锂離子電(diàn)池是一(yī)種二次電(diàn)池(充電(diàn)電(diàn)池),它主要依靠锂離子在正極和負極之間移動來工(gōng)作。在充放(fàng)電(diàn)過程中,Li+ 在兩個(gè)電(diàn)極之間往返嵌入和脫嵌:充電(diàn)時,它是把锂離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負極(傳統锂電(diàn)池用锂或锂合金作負極),石油焦炭和石墨作負極材料無毒,且資源充足,锂離子嵌入碳中,克服了锂的高(gāo)活性,解決了傳統锂電(diàn)池存在的安全問題,負極處于富锂狀态;放(fàng)電(diàn)時則相(xiàng)反。


正極材料常用LiCoO2,LiNiO2,和LiMnO4 電(diàn)解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC),正極LiNiO2在充、放(fàng)電(diàn)性能(néng)和壽命上(shàng)均能(néng)達到(dào)較高(gāo)水(shuǐ)平,使成本降低(dī),總之锂離子電(diàn)池的綜合性能(néng)提高(gāo)了。


鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列:

(1)正極——活性物(wù)質一(yī)般為(wèi)錳酸锂或者钴酸锂,鎳钴錳酸锂材料,電(diàn)動自(zì)行車則普遍用鎳钴錳酸锂(俗稱三元)或者三元+少量錳酸锂,純的錳酸锂和磷酸鐵锂則由于體積大、性能(néng)不好或成本高(gāo)而逐漸淡出。導電(diàn)極流體使用厚度10--20微米的電(diàn)解鋁箔。

(2)隔膜——一(yī)種經特殊成型的高(gāo)分子薄膜,薄膜有微孔結構,可以讓锂離子自(zì)由通(tōng)過,而電(diàn)子不能(néng)通(tōng)過。

(3)負極——活性物(wù)質為(wèi)石墨,或近似石墨結構的碳,導電(diàn)集流體使用厚度7-15微米的電(diàn)解銅箔。

(4)有機(jī)電(diàn)解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯類溶劑,聚合物(wù)的則使用凝膠狀電(diàn)解液。

        (5)電(diàn)池外殼——分為(wèi)鋼殼(方型很少使用)、鋁殼、鍍鎳鐵殼(圓柱電(diàn)池使用)、鋁塑膜(軟包裝)等,還(hái)有電(diàn)池的蓋帽,也是電(diàn)池的正負極引出端。因此,锂離子電(diàn)池有很多(duō)系列,常見(jiàn)的有钴酸锂電(diàn)池三元锂電(diàn)池、聚合物(wù)锂電(diàn)池、碳酸锂電(diàn)池、磷酸鐵锂電(diàn)池以及未來車企理想固态電(diàn)池等。

   

     1983年(nián)M.Thackeray、J.Goodenough等人發現錳尖晶石是優良的正極材料,具有低(dī)價、穩定和優良的導電(diàn)、導锂性能(néng)。其分解溫度高(gāo),且氧化性遠(yuǎn)低(dī)于钴酸锂,即使出現短路(lù)、過充電(diàn),也能(néng)夠避免了燃燒、爆炸的危險。

     

      1989年(nián),A.Manthiram和J.Goodenough發現采用聚合陰離子的正極将産生(shēng)更高(gāo)的電(diàn)壓。


      1992年(nián)日本索尼公司發明了以炭材料為(wèi)負極,以含锂的化合物(wù)作正極的锂電(diàn)池,在充放(fàng)電(diàn)過程中,沒有金屬锂存在,隻有锂離子,這就(jiù)是锂離子電(diàn)池。随後,锂離子電(diàn)池革新了消費(fèi)電(diàn)子産品的面貌。此類以钴酸锂作為(wèi)正極材料的電(diàn)池,至今仍是便攜電(diàn)子器(qì)件(jiàn)的主要電(diàn)源。


      1996年(nián)Padhi和Goodenough發現具有橄榄石結構的磷酸鹽,如磷酸鐵锂(LiFePO4),比傳統的正極材料更具安全性,尤其耐高(gāo)溫,耐過充電(diàn)性能(néng)遠(yuǎn)超過傳統锂離子電(diàn)池材料。

 

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