锂离子动力电池使用寿命影响因素研究

摘要随着全球经济的发展，天然气、石油等不可再生的石化燃料的耗竭越来越受到人们的关注，同时室温效应和空气污染也成为全地球的问题。人们为了解决好能源短缺问题、实现全球低碳经济，利用当今能源技术的发展水平，重点研发锂电池的使用，锂电池技术逐渐变成了全球经济发展的重点方向。本文基于讲了锂电池使用寿命的影响因素，其中着重描述了锂电池隔膜的功能图层的影响，以及电池的生产工艺的不同和电池负极材料的选择方面的不同对电池的使用寿命的影响，通过对实验测试对得到隔膜的界面差对电池影响，最后对锂电池成为世界新能源的美好前景进行了预测与展望。关键字：锂电池；负极材料；隔离膜；新能源ABSTRACTWith the development of global economy, petrochemical and natural gas fuel, oil and othernon renewable depletion has been paid more and more attention, At the same time, temperature effect and air pollution has become a global problem. In order to solve the problem of energy shortage and global low carbon economy, the development level of todays energy technology, focus on the use of research and development of lithium batteries, lithium battery technology has gradually become the focusof global economic development.In this paper, factors affecting the service life of the lithium battery talk based on, Which focuses on the function of layer lithium battery separator, and the influence of the production process of the battery and battery cathode materials for the different choice of the service life of the battery, The influence on the experimental test of diaphragm interface difference on the battery, the lithium battery has become the worlds new energy prospects are forecasted and prospect.Key words : Lithium ion battery; cathode material; membrane; new energy第一章 锂离子电池概述 .62.1 锂离子电池的定义 .62.1.2 锂电池的反应原理 .72.2 锂离子电池的分类 .92.2.1 使用时的注意事项 .102.3 锂电池的应用 .122.3.1 锂电池的优点， .122.3.2 锂电池的缺点 .122.3.3 锂电池的产品 .13第二章 锂离子电池的寿命 .163.1 锂电池的正极材料 .163.1.1 层状 LiMi O2 的影响 .173.1.2 层状 LiNiO2 的影响 .183.2 锂电池的负极材料的影响 .193.2.1 碳材料对寿命的影响 .203.2.2 合金的作用 .213.3 电池隔膜 .223.31 电池隔膜的概论 .23第四章实验部分 .254.1 电池进行无损分析 .254.2 电池的拆解测试 .284.3 其余影响电池寿命的因素 .30第五章总结 .33致谢 .34前言随着我们社会经济的发展，社会上出现了各种各样的携带式的电子产品和电动汽车，并且随着发展它们的应用更加广泛，这不仅方便了我们，还让我们的生活更加美好，但是对各种仪器的动力系统化学能源的性能要求越来越严格。所以说现在很多科研机构都在研究新的能源来源，而锂离子电池因为具有很高循环稳定性还有高容量和高能量密度并且不会环境污染等多个优点得到人们的的青睐，被广泛应于与各种仪器设备中，被我们称之为 21 世纪的最新的绿色能源，被我们广泛的用于民用和国防中，对人们的生活带来了很大的改变，现如今锂离子电池已经变成我们生活中不可缺少的一个主要部分，据某家统计机构的统计显示世界上平均每个人的一生都会拥有过好几块锂电池，或大的或小的，或是手机电池或是笔记本的电池，有或者是数码相机上面的电池。我们的生活中处处都有它的影子，不论是在繁华的大都市还是宁静的乡间村舍里面都是它的天下。随着我们的科技的进步，锂离子电池的应用领域还在不断扩大，现如今已不是只应用于各种小型的便携式电子产品了，近几年又有向动力电车方向发展的趋势。因此锂离子电池还有它的性能材料已成为世界各国关注的一个产业焦点。并且也是我国能源领域中重点扶持的高新技术产业之一。据统计现如今锂离子电池行业总产值已达近 100 亿美元。发展前景非常广泛，伴随着锂离子电池技术的发展，锂离子电池材料有望成为近几年来发展最快的产业之一。单单就从我国的情况来看,自从 1 年以来,逐渐从金融危机中摆脱出来，各种行业都处于百废待兴的状态，这时候动力电动汽车掀起了一个小浪潮,让我国锂离子电池投资也变得高涨起来了。但是这并不能解决什么问题，因为电池供需的矛盾进一步激化使我国锂离子电池市场陷入无序发展的窘境,因为我国锂离子电池行业本身就处于“小、散、弱”的局面。很难说一次性就可以得到解决，但是我国的锂离子电池的发展却没有耽误，自从锂离子电池产品出现在我国以来,电子产品和电动工具的消费一直都是我国锂离子电池产业的主要的产品领域,其大约已经占据了我国锂离子电池市场的 80%左右。并且经过这么多年的产业化发展,使得我国的在锂离子电池的生产技术和产品的材料性能等方面,与国际上的先进水平的差距越来越小。但是我们还是因该发现我们在核心技术方面和他们还是有较大的差距，如果我们要想改变目前的状况,不能只依靠别人的帮助，而是通过攻克核心技术,进一步提高我国锂离子电池的产品性能和稳定性;并努力使关键材料能够本土化,让我们国家自己可以生产出来独特的锂离子电池，这样不仅可以进一步降低锂离子电池的生产成本,还可以增加我们的竞争力，并利用经济危机刚刚度过这个特殊时期，世界上大部分国家的电子企业均处于低潮时期的阶段,借力国际品牌如苹果、谷歌、亚马逊、华硕、联想等,快速打入其供应链,稳步扩大传统市场。我们如果要想做到打开世界新兴市场,首先要做到是提升我国锂离子电池组的使用性能并尽量降低其价格。这个工程是非常巨大的，仅靠电池的生产企业单独去完成这一任务是不可能的,它需要锂离子电池各个方面的生产厂家合伙，原材料供应商(如正极材料和电解液等)以及下游应用(如电池组和电动汽车)的生产企业通力合作,才可以解决性能难题,完全实现原材料本地化采购。扩大我国锂离子电池发展空间。虽然我们每天都会和锂离子电池接触，但是我们当中有多少人是对锂离子电池有一定的了解，大家真的对锂离子电池很熟悉吗？或者我们大家知道锂电池和锂离子电池之间关系吗？明白什么是一次电池、什么是二次电池吗？在这里我们将具体介绍一下锂离子电池的历史和如何正确使用锂离子电池从而增加电池的使用寿命，让我们大家对朝夕相伴我们生活的锂离子电池有一个更加清晰的认识。第一章 锂离子电池概述随着世界上科学技术的快速的发展和人民对于物质文化生活水平的要求的提高，人们各种高科技产品的需求越来越大，同时对锂离子电池的需求量越来越大，但是我们也要看到人们对电池性能的要求也越来越高。特别是因为近几年人们对于太空的探究，为了竞争的市场不再是单单地球，而是外太空的拥有权。为了迎合太空技术的发展和军事装备的需求，造成了微电子工业的迅猛发展，并生产出来了大量的工用、民用、医用的便携式的电子产品，方便了我们的生活；随着社会观念的改变，人们对于环境保护意识越来越强，从而迸发了电动汽车的出现，这种高能量，体积小，重量轻，安全可靠，无污染的新型你们对于绿色环境的追求，这就加快了电池的改性和增强。锂离子电池是 20 世纪开发成功的新型高能电池，但在这种环境下得到迅速发展起来的新型高能的二次电池。目前来看锂离子电池的市场需求主要是来源于电子产品消费市场和以电动汽车为代表的新兴市场交通工具。2.1 锂离子电池的定义我们所说的锂离子电池是一种二次电池：就是可以循环充放电的电池，它主要依靠锂离子来回在正极和负极之间的移动。带动电子的移动，在它充放电的过程中，：Li+会在两个电极之间往返重复嵌入和脱嵌，被形象地称为“摇椅电池”(Rocking Chair Batteries,缩写是 RCB)具体表现就是当其在进行充电的时候，Li+会从正极脱嵌，并经过电解质的流动，往负极流动，从而进入负极，并嵌入负极中，那么这个时候电池的负极就会处于富锂状态；而电池在放电时的情况则相反；Li+从电池的负极嵌出，流入电解质，从而嵌入正极，此时正极处于富锂态，并且在正常的充分电的情况下，锂离子只会在电池的谈材料的层状结构中和氧化物的层状结构中嵌入和嵌出，这样只会引起电池层面间的间距发生变化，而不会破坏晶体的结构，这样的话在一个循环过程中锂离子的负极材料不会发生化学结构的变化，锂离子才可以处于一个良性循环当中。2.1.2 锂电池的反应原理下面我们就从锂离子电池的图示中看看锂离子是如何转移的和怎么样进行嵌入和嵌出的，首先我们先来看一下锂离子电池工作时候的化学反应式：那么电池电池反应的总反应式是：从反应式中我们可以看到出来锂离子电池的工作原理。但是我们平常所用的一电池大都是采用含有锂元素的材料作为电极，就是因为锂离子的化学特性，并且这也是我们平时所说的现代高性能电池的代表。我们还要有一个常识，那就是我们通常所说的锂电池并不是锂离子电池。这就要从我们对锂系电池的划分来看，通常分为锂电池和锂离子电池。那么我们平常所使用的手机和笔记本电脑等所使用的都是锂离子电池了，但是一般情况之下我们都会俗称其为锂电池，但是我们要知道真正的锂电池的化学反应是是极其不稳定的，因此在使用的时候会具有很大的危险性，这还不是最主要的原因，最主要的是金属锂电池只是一次性电池，而锂离子电池是可充电循环电池！不仅是为了环境还是为了节约资源，现在我们所使用的一次电池的次数在逐渐减小。所以因为锂离子电池使用的频率更大，为了说起来方便我们通常会把锂离子电池叫做锂电池。接下来为了更加让我们形象的看出来锂离子电池是如何进行工作的，来看一下它的工作原理图：图 1-1 锂离子电池的工作原理锂离子电池工作原理其实很简单，只是锂离子在正负极之间的移动带动电子转移，从而造成电池的充放电。下面我们先来看一下锂离子电池的主要结构：（1）正极活性物质一般是锰酸锂或者钴酸锂等材料，在日常所用的电动自行车大都是普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂等做，而纯的锰酸锂和磷酸铁锂由于体积较大、性能不好或成本较高而逐渐淡出。导电集流体一般使用厚度 10-20 微米的电解铝箔。（2）负极活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体会使用厚度为 7-15 微米的电解铜箔。（3）隔膜一种经特殊处理成型的高分子薄膜，其中薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子却不能通过。（4）有机电解液溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。（5）电池外壳分为镀镍铁壳（圆柱电池使用） 、铝壳、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，同时也是电池的正负极引出端。2.2 锂离子电池的分类我们现在所说的锂离子电池并不是单单指一种电池，而是说含有锂离子的电池的总称，并且为了更好的区分它们，我们通常会根据锂离子电池所用的电解质材料的不同，把锂离子电池分为液态锂离子电池(Liquified Lithium-Ion Battery，简称为LIB)和聚合物锂离子电池(Polymer Lithium-Ion Battery，简称为 PLB)。不要将锂离子电池与以下两种电池混淆：（1）锂离子电池：是使用非水液态有机电解质。（2）锂电池：是以金属锂为负极的一类电池。（3）锂离子聚合物电池：用聚合物来凝胶化液态有机溶剂，或者直接用全固态电解质。锂离子电池一般以石墨类碳材料为负极。那么接下来我们就细致的讲解一下锂离子电池，首先我们大家都知道目前我们所用的笔记本电脑、手机等现代数码产品都是可以重复充电的，也就是可以循环使用的。这就是要说明一下不需要我们像以前一样经常要更换电池那样繁琐的工作，就是依赖于我们的锂离子电池，这也是目前应用最广泛的电池，但是锂离子电池本身还是比较“娇贵”的，这就要求我们在平常的使用过程中不能过分充满、过分放光电量，因为这样做的话都会损坏电池近而影响它的使用寿命最终会导致电池的报废。所以我们在电池上的设计上会考虑加入保护元器件或安装保护电路以降低充放电过程中对电池降低充放电过程中对电池的损坏，在使用的时候要求很高，例如必须要始终保证在终止电压精度1%之内，为了延长电池的使用寿命。现在各大半导体器件厂都开发研究出多种用于锂离子电池充电的 IC，从而更好的保证安全、快速、可靠地充电，减小对电池的损害。现在手机应该是生活必需品了，基本上是人手一部，并且我们所使用的手机中提供能源基本上都是锂离子电池。因此掌握好如何正确地使用锂离子电池，从而延长我们手机电池的寿命是非常重要的。现在市场上面的锂离子电池产品的形状是多种多样的，并不是局限于长方形或者是正方形，而是根据产品