锂离子电池

你知道世界上第一栋摩天大楼其实只有42米高吗？本期维基人将带你领略从19世纪至今世界著名的摩天大楼！关闭锂离子电池编辑本条目需要补充更多来源。（2013年12月3日）请协助添加多方面可靠来源以改善这篇条目，无法查证的内容可能会被提出异议而移除。用于iPhone的锂离子聚合物电池拆开的圆柱形18650锂离子电池，其中的18650代表直径为18mm，而长度为65.0mm两枚18650锂离子电池（左）及一枚CR123A锂电池（右）本文介绍的是可重复充电的锂离子电池。关于不可重复充电的锂电池，详见“锂电池”。锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池容易与下面两种电池概念混淆： 锂电池（Lithium battery）：虽然常常被用作为锂离子电池的简称，但严格意义的锂电池是锂原电池，内含纯态的锂金属，为一次性使用、不可充电。 锂离子聚合物电池（Lithium-ion polymer batteries，也常称为“锂聚合物电池”）：一种用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂的可充电锂离子电池，其安全性较好。目录隐藏 1历史 2发展现况 3优点 4缺点 5种类o 5.1镍钴锂电池o 5.2镍锂电池o 5.3磷酸锂铁电池 6充电过程 7保养须知 8电化学 9原理o 9.1正极o 9.2负极o 9.3电解质溶液 10登机政策 11参见 12参考 13外部链接历史编辑 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，制成首个锂离子电池。1 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。 1983年M.Thackeray、约翰B古迪纳夫(J.B.Goodenough)等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，2。锰尖晶石具有低价、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。虽然纯锰尖晶石随充放电循环会变衰弱，但这是可以通过材料的化学改性克服的。3截至2013年锰尖晶石用于商业电池。4 1989年，A.Manthiram和古迪纳夫发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。5 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。 1996年Padhi和古迪纳夫发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁(LiFePO4)，比传统的正极材料在安全性和寿命方面有所进步，但低温性能和压实密度有待提高。6发展现况编辑现在3C产业常提到的锂电池其实是钴酸锂电池，广义的可充放锂电池是指由一个石墨负极，一个采用钴、锰或磷酸铁的正极，以及一种用于运送锂离子的电解液所构成。而一次锂离子电池则可以锂金属或者嵌锂材料作为负极。锂电池产业发展20多年来一直集中在3C产业为主，较少应用在市场经济规模更大的储能和动力电池（瞬间需要较大电流）市场，这市场涵盖纯电动车、油电混合车、中大型UPS、太阳能、大型储能电池、电动手工具、电动摩托车、电动自行车、航太设备与飞机用电池等领域。主要原因之一是过去锂电池采用的钴酸锂正极材料（，就是现在最常见的锂电池）成本较高，并且难以应用在耐受穿刺、冲撞和高温、低温等条件等特殊环境。更重要的是，因无法满足人们对安全的绝对要求而饱受诟病。同时，钴酸锂电池也无法达到快速充电与完全避免二次污染等目的，而且，一定要设计保护电路以防止过度充电或过度放电，否则就会造成爆炸等危险，甚至出现如Sony电池爆炸导致全球品牌NB业者投下巨资回收的情况。另外，钴的价格愈来愈高昂，全球钴元素最大生产国刚果，战乱纷扰多，导致钴元素价格不断升高。钴酸锂电池的粉体因钴元素价格不断上涨，现在已从原先的每公斤40美元涨价到6070美元。磷酸锂铁粉体依品质好坏，每公斤售价在3060美元。这20年来，各国产学界早已投入无数的研发人力与资源，不断寻找能够取代或解决问题的新材料，因为，据统计，全球动力与储能电池市场的经济规模总量每年高达500亿美元，远大于钴酸锂电池每年5560亿美元的胃纳量。从2006年7月至今，包括投入能源储存设备的Deeya Energy，发展薄膜锂电池的Infinite Power Solution，看好新世代锂离子电池磷酸锂铁电池产业（LFP，Lithium Ferrous Phosphate）的美国A123 Systems、台湾Aleees和加拿大Phostech Lithium等业者，快速从全球创投和其他资金来源募来超过3亿美元的资金。优点编辑 高能量密度：因电极材料不同而不同，按质量计算，可达150200Wh/kg(540720kJ/kg)；按体积计算，可达250530Wh/L(0.91.9kJ/cm3)。 开路电压高：因电极材料不同而不同，可达3.34.2V。 输出功率大：因电极材料不同而不同，可达3001500W/kg(20秒)。 无记忆效应:磷酸铁锂锂离子电池无记忆效应，电池在未放空电的情况下可随时充放电，使用维护简便。 低自放电：510/月。智慧型锂离子电池由于有内建的监测电路，这个监测电路的工作电流甚至高于自放电电流。 工作温度范围宽：可在-2060之间正常工作。 充、放电速度快因此，锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军用产品、航空产品等。缺点编辑 衰老：与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨，似乎可以延长寿命。储存温度与容量永久损失速度的关系如下：充电电量储存温度0储存温度25储存温度40储存温度6040602/年4/年15/年25/年1006/年20/年35/年80/6月 回收率：大约有1的出厂新品因种种原因需要回收。 不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命缩短。 不耐受过放：过放电时（电压小于3.0V时放电），电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。 需要多重保护机制：由于错误使用会减少寿命，甚至可能导致爆炸，所以，锂离子电池设计时增加了多种保护机制。 保护电路：防止过充、过放、过载、过热。 排气孔：避免电池内部压强过大。 隔膜：有较高的抗穿刺强度，防止内部短路；在电池内部温度过高时还能融化，阻止锂离子通过，阻滞电池反应，升高内阻(至2k)。排气孔、隔膜一旦激活，将使电池永久失效。种类编辑正极材料的选择决定了电池的容量、安全性和老化特性。其中钴特别提供了极佳的容量和老化特性，但与其他的材料相比，钴的安全性就差了些。“”（镍锂电池）、“”（镍钴锂电池）、“”（锰锂电池）、“”（三元电池）磷酸锂铁电池（LFP）镍钴锂电池编辑镍钴锂电池是镍锂电池和钴锂电池的固溶体（综合体），兼具镍锂和钴锂的优点，一度被产业界认为是最有可能取代钴锂电池的新正极材料，但安全性还无法有更大突破。因此，全球相关业者的主要发展集中在基于锰或磷酸铁的正极以提升其安全性，但提高安全性的代价是电池容量略有下降，且使电池的老化速度加快。镍锂电池编辑锂镍电池的成本较低且电容量较高，不过，制作过程困难且材料性能的一致性和再现性差，最严重的是依然有安全性问题。磷酸锂铁电池编辑磷酸锂铁电池则同时拥有钴锂、镍锂和锰锂的主要优点，但不含钴等贵重元素，原料价格低且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富，不会有供料问题，而且，工作电压适中（3.2V）、电容量大（170mAh/g）、高放电功率、可快速充电且循环寿命长，在高温与高热环境下的稳定性高，是目前产业界认为较符合环保、安全和高性能要求的锂离子电池。不过，磷酸锂铁（LFP）电池压实密度相对较低、低温性能欠佳，并且正极材料存在专利争议。目前主要的3种技术和化合物分别由全球3家业者掌握，包括源自美国德州大学的LiFePO4，以及另外两种Nanophosphate和NanoCocystallineOlivine（NCO）。充电过程编辑单一枚锂离子电池的充电过程分两阶段：1. CC (constant current) 恒定电流充电：先以恒定电流充电，这样会使电池电压渐渐上升，直至电压到达一特定数值。此特定数值的电压视电池物料而定。2. CV (constant voltage) 定电压充电：以固定电压向电池充电，这样充电电流会渐渐减小，直到电流小于某一程度后充电过程即完成。多枚串联锂离子电池的充电方法较为复杂，分3个阶段：1. CC (constant current) 恒定电流充电2. 电量衡充 (blance charging)；减小个别电池的充电量，直至各电池的充电程度(电量状态) (SOC- state of charge)都衡等。3. CV (constant voltage) 定电压充电保养须知编辑 充电时不得高于最大充电电压，放电时不得低于最小工作电压。 无论任何时间锂离子电池都必须保持最小工作电压以上（3.0V), 低电压的过放或自放电反应会导致锂离子活性物质分解破坏，不一定可以还原。 锂离子电池任何形式的过充都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。锂离子电池在充电过程必需避免对电池产生过充。 不要经常深放电、深充电。不过，每经历约30个充电周期后，电量检测芯片会自动执行一次深放电、深充电，以准确评估电池的状态。 避免高温，轻则缩短寿命，严重者可引发爆炸。如有条件可储存于冰箱。笔记型电脑如果正在使用交流电，请拔除锂离子电池条，以免受到电脑产热的影响。 避免冻结，但多数锂离子电池电解质溶液的冰点在-40，不容易冻结。 如果长期不用，推荐以4060的充电量储存。电量过低时，可能因自放电导致过放，因此，存放不使用的锂离子电池时，建议定期充电，以防止自放电低于最小工作电压而老化。 由于锂离子电池不使用时也会自然衰老，购买时应根据实际需要量选购，不宜过多购入。电化学编辑和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。习惯上，锂离子进入正极材料的过程叫“嵌入”，离开的过程叫“脱嵌”；锂离子进入负极材料的过程叫“插入”，离开的过程叫“脱插”。原理编辑锂离子电池中的电解液可以是凝胶体、聚合物（锂离子/锂聚合物电池）、或凝胶体与聚合物的混合物。因为目前尚未发现能够在室温条件下有效运送锂离子的聚合物，所以大多数的“塑胶封袋”锂离子/ 锂聚合物电池事实上都是结合凝胶体和聚合物的混合型电池。正极或负极必须具有类似海绵的物理结构，以释放或接收锂离子。在放电时，锂离子从负极材料移出至电解液，再像水进入海绵一样地进入正极材料，这个过程被称为嵌入(Intercalation)。充电的过程则完全相反。正极编辑 正极材料：如上文所述，可选的正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：正极材料平均输出电压能量密度LiCoO23.7 V140 mAh/gLi2Mn2O43.7 V100 mAh/gLiFePO43.3 V100 mAh/gLi2FePO4F3.6 V115 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负极编辑 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：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。 充电时：xLi+ xe+ 6C LixC6 放电时：LixC6 xLi+ xe+ 6C电解质溶液编辑 溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。 溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜(solid electrolyte interphase，SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。登机政策编辑 中国：个人自用的消费电子产品，如手表、计算器、照相机、手机、手提电脑、便携式摄像机等，如果内含锂或锂离子电池芯或电池的，允许登机。如作为备用电池的，必须单个存放，必须做好防短路保护，仅能在手提行李中携带，并且限制在每人不超过2个，等质总锂含量不超过25克。托运行李禁止携带锂离子电池。 美国：当且仅当锂离子电池是安装在允许登机的设备上时，该电池才准予登机。手提行李不受此限。参见编辑 锂电池 镍氢电池 充电电池 混合动力车 纯电动车 约翰B古迪纳夫教授参考编辑1. Whittingham, M. S. Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry. Science. 1976,192(4244): 11261127.doi:10.1126/science.192.4244.1126.PMID17748676.编辑2. Thackeray, M. M.; David, W. I. F.; Bruce, P. G.; Goodenough, J. B. Lithium insertion into manganese spinels. Materials Research Bulletin. 1983,18(4): 461.doi:10.1016/0025-5408(83)90138-1.编辑3. Nazri, Gholamabbas and Pistoia, Gianfranco.Lithium batteries: science and Technology. Springer. 2004.ISBN1402076282.4. Voelcker, John (September 2007).Lithium Batteries Take to the Road. IEEE Spectrum. Retrieved 15 June 2010.5. Manthiram, A.; Goodenough, J. B. Lithium insertion into Fe2(SO4)3 frameworks. Journal of Power Sources. 1989,26(34): 403.doi:10.1016/0378-7753(89)80153-3.编辑6. Padhi, A. K. Phospho-olivines as Positive-Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries. Journal of the Electrochemical Society. 1997,144(4): 11881110.doi:10.1149/1.1837571.编辑外部链接编辑维基共享资源中相关的多媒体资源：锂离子电池 锂离子电池结构探秘隐藏 查 论 编电池(伽凡尼电池, 即化学电池)列表电池类型 伏打电堆 电池(液流电池) 浓差电池 燃料电池原电池(非充电型) 锌铜电池 碳锌电池 碱性电池 锌空气电池 氢