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锂电池 2015-11-19

“锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生,使用以下反应:Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应,放电。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。所以,锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展,现在锂电池已经成为了主流。

锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

 

中文名:锂电池   外文名:    Lithium Cell    发明家:    爱迪生     化学反应:  氧化还原反应


1工作原理

锂金属电池:

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。


锂电池基本原理

放电反应:Li+MnO2=LiMnO2

锂离子电池:

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

充电正极上发生的反应为

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe- = LixC6

充电电池总反应:LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6

正极

正极材料:可选的正极材料很多,主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照:

LiCoO2

3.7 V

140 mAh/g

Li2Mn2O4

4.0 V

100 mAh/g

LiFePO4

3.3 V

100 mAh/g

Li2FePO4F

3.6 V

115 mAh/g

正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。 充电时:LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放电时:Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。

负极

负极材料:多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应:放电时锂离子脱嵌,充电时锂离子嵌入。

充电时:xLi+ + xe- + 6C → LixC6

放电时:LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

 

2早期研发

锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低,放电电压平缓等优点,使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂电池一般有高于3.0伏的标称电压,更适合作集成电路电源。二氧化锰电池,就广泛用于计算器,数码相机、手表中。

为了开发出性能更优异的品种,人们对各种材料进行了研究,从而制造出前所未有的产品。

1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化,使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小。


3发展进程

1、1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。

2、1980年,J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

3、1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,此过程是快速的,并且可逆。与此同时,采用金属锂制成的锂电池,其安全隐患备受关注,因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

4、1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

5、1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

6、1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

7、1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸锂铁(LiFePO4),比传统的正极材料更具优越性,因此已成为当前主流的正极材料。

随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用,锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用,并在逐步向其他产品应用领域发展。1998年,天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上,人们把锂离子电池也称为锂电池,但这两种电池是不一样的。锂离子电池已经成为了主流。


4种类编辑


代号

化学成份分类

正极

电解液

负极

公称电压

附注

B

-氟化石墨电池

氟化石墨(一种氟化碳)

非水系有机电解液

3.0V

C

-二氧化锰电池

热处理过的二氧化锰

高氯酸锂非水系有机电解液

3.0V

最常见的一次性3V锂电池,常简称锂锰电池

E

-亚硫酰氯电池

亚硫酰氯

四氯铝化锂非水系有机电解液

3.6V3.5V

F

-硫化铁电池

硫化铁

非水系有机电解液

1.5V

可用来替代一般1.5V碱性电池,常简称锂铁电池

G

-氧化铜电池

氧化铜

非水系有机电解液

1.5V


5电池材料

碳负极材料

已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。


锡基负极材料

锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。没有商业化产品。


氮化物

也没有商业化产品。


合金类

包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金 ,也没有商业化产品。


纳米级

纳米碳管、纳米合金材料。


纳米氧化物

目前根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向,诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨,锡氧化物,纳米碳管里面,极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。




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