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        鋰電池技術研究進展及其應用

        點擊:256  添加時間:2018-12-12 11:21:00  來源:控制與電氣

        鋰電池的研究開始于20世紀80年代,首個商業化的鋰電池出現于1991年,故將1991年作為鋰電池真正意義上的誕生年份。雖然迄今為止,已經應用廣泛,遠超其他類型電池,但是,其并不是完美的電池,甚至相差很遠,存在諸多問題。

        鋰離子電池的四個主要成分是陰極、陽極、電解液、隔膜。一般鋰離子電池可以提供大約3.7V的平均電壓,并在相對簡單的原理下工作,即陰極、陽極之間可逆脫嵌鋰離子。

        1.陰極材料

        起步:尖晶石LiMn2O4(LMO)LiCoO2(LCO)但是LiCoO2(LCO)隨著價格以及可用資源問題的出現,現在正在逐漸減少,到2010年占有率僅為40%。

        在發展到LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(NMC)一種鎳、錳、鈷的三元體系材料。

        在發展到具有橄欖石結構的磷酸鹽類材料【LiFePO4(LFD)為最常見】很有前景的新型陰極材料,雖然目前應用有限。

        最新技術趨勢:陰極材料是含鋰的過度金屬氧化物,屬于一種功能陶瓷材料,應用于鋰電池的陰極的電極材料,鋰離子必須能夠在其晶體結構中自由擴散。晶體結構的形貌:一維、二維、三維,決定鋰離子能夠遷移的維度。

        1)層狀巖鹽結構材料(二維)LCO自身結構簡單,但是與其他元素結合物可以提供高效的放電容量。

        2)尖晶石結構材料(三維)LMO放電性差 不能提供高效電容量但價格低結構穩。

        3)橄欖石結構材料(一維)LFO

        4)層狀LCO系列(二維)合成福鋰化的LCO納米顆粒方法,這種材料中含有的鋰量是普通LCO粒子的9-21倍,鋰含量上升8-12倍,一次粒子直徑25nm的球形顆粒;鋰含量上升21倍為直徑5nm長度60nm的棒狀顆粒,采用這種棒狀顆粒制備的陰極在高倍率的條件下容量保持能力可以得到最大化的改善,特別適用于混合動力汽車中。

        2.陽極材料:石墨和硬碳,包括中間石墨和人造石墨雖然價格高但是應用廣泛。

        但是到了2010年基本上都是各種形式的石墨

        石墨陽極放電曲線

        硬碳陽極的放電曲線

        其他新型材料:放電容量高但是從放電過程中出現較大的體積膨脹與收縮率則是最為嚴重的弊病。現在這個問題已經可以通過制備納米顆粒或者碳材料制備復合材料來緩減。

        3.電解液:有機溶劑和電解質鹽類化合物的混合物

        常見的有機溶劑是環狀碳酸酯如碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯與鏈狀碳酸酯如碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的混合物。然后在上述有機溶劑中加入鹽類化合物如LiPF6或者LiBF4使得到最終的電解液,必須同時具備高介電常數和低黏度。

        4.隔膜技術:由一類聚烯烴材料制備而成的微孔薄膜。隔膜放置在陽極和陰極之間,在允許鋰離子通過的前提下,同時防止正負極接觸。基于制備方法的不同有:干法單組分體系、濕法雙分體系、濕法三分組體系。

        單組分:制備過程中只是涉及薄膜本身的聚合物材料

        干法:制備過程中沒有溶劑參與

        自閉孔功能:隔膜的一個安全特征,當電池短路或者其他原因而產生不正常的熱而導致聚合物融化時,可以關閉微孔,從而阻止電極之間的離子遷移。

        2.1概述

        20世紀80年代開始設計各種各樣戶外使用的視聽配件,井大規模的投放市場。此外,所謂的信息技術設備,包括移動電話、筆記本電腦、數碼相機等,也開始越來越受到人們的青睞。

        盡管在20世紀70年代之前,一次電池一直統領著整個電池市場,但是如鉛酸電池、鎳鎘電池(Ni-Cd)等二次電池最終還是取代了它們。

        鎳鎘電池是一種典型的小型二次電池,但它在用作手持設備的電源時有其自身的弱點,如能量密度較低以及環境污染問題等。在20世紀80年代末之前,雖然鎳鎘電池性能也得到了一系列的改進,但是能量密度卻達到了一個極限。

        與傳統的二次電池如鎳鎘、鎳金屬氫化物以及鉛酸蓄電池相比,鋰離子電池具有顯著的性能優勢。如:

        ①高電壓(平均3.7V);

        ②高質量能量密度和體積能量密度;

        ③沒有記憶效應;

        ④低自放電率(每年低于20%);

        ⑤工作溫度范圍寬。

        2.2凝膠聚合物電解質鋰離子電池

        電解液泄濕漏是一次和二次電池中最令人困擾的問題,對付這種泄漏最行之有效的方法是將電解液固定起來。純聚合物電解液由聚合物基質以及鋰鹽組成,它的離子電導率很低。所以很多研究者開始研發凝膠聚合物電解液(GPEs)來提高其離子電導率。CPEs由凝膠聚合物本體以及溶劑或增塑劑構成,它們的離子電導率很高,可以代替純聚合物電解液作為鋰離子電池的固態電解液。 索尼公司研究開發了采用GPES的鋰離子電池,即聚合物電池(LPBs).并于1998年將其投放到市場。

        但是人們廣泛認為聚合物電池的倍率放電性能和低溫性能同普通鋰離子電池相比均較差,這主要是由于GPES的離子電導率較差,所以將該聚合物電池用于手持電子設備的話,其性能尚有所欠缺。

        基于此觀點,我們對于聚合物電池的研究開發工作將主要鎖定在如下幾個方面:

        ①凝膠電解液的溶劑具有低蒸氣壓:

        ②膠體電解液與活性電極材料具有良好的黏合性:

        ③所有的溶劑都應該包裹在有機物基質中,不應該有多余的有機溶劑,從而可以防止電解液泄漏;

        ④GPEs在一個較寬的溫度范圍內具有高離子電導率,尤其是在低溫條件下;

        ⑤在電極表面包裹一層塑料層, 隔斷溶劑蒸氣和水分之間的互相滲透;

        ⑥具有與傳統鋰離子電池相抗衡的性能。

        GPEs需要同時具有兩個矛盾的特征。它們需要容納盡可能多的溶劑從而增加離子電導率,而另外一個方面,也需要很高的機械強度,太多的溶劑存在容易導致膠體破碎。

        2.3結論

        鋰離子電池的一些新應用已經被提出來,比如為電動汽車、混合動力汽車、插電式混合動力汽車以及固定動力能源等提供動力能源。

        為了使鋰離子電池滿足這些應用上的要求,一些新的技術也陸續報道出來。

        但是其中一些報道,好像忽視了新技術的實用性,包括其使用條件以及大批量生產的可行性。

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