锂电池的原理与应用.ppt

锂电池的原理与应用 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 锂电池大致可分为两类 锂金属电池和锂离子电池 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 制成首个锂金属电池 1992年日本索尼公司发明了以碳材料为负极 以含锂的化合物作正极的锂离子电池 在充放电过程中 没有金属锂存在 只有锂离子 这就是锂离子电池 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 基本原理 放电反应 Li MnO2 LiMnO2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 而且其为一次性电池 所以 锂金属电池长期没有得到应用 虽然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 也没有得到广泛推广 所以目前市面上广泛流通的锂电池大部分是后来居上的锂离子电池 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 比如 正极采用锂化合物LiCoO2 负极采用碳电极 电解质为溶解有锂盐LiPF6 LiAsF6等的有机溶液的液态锂离子电池反应原理为 充电正极上发生的反应为LiCoO2 Li 1 x CoO2 xLi xe 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 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池 正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成 充电时 Li 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极 负极处于富锂态 正极处于贫锂态 同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极 保证负极的电荷平衡 放电时则相反 Li 从负极脱嵌 经过电解质嵌入正极 正极处于富锂态 从充放电反应的可逆性看 锂离子电池反应是一种理想的可逆反应 如此锂离子电池即可反复充放电使用 锂离子电池的特点 1 薄 轻 容量大和任意形状 2 快速充电 使用额定电压为4 2V的恒流恒压充电器 可以使锂离子电池在1 5 2 5个小时内就充满电 而新开发的磷铁锂电 已经可以在35分钟内充满电 3 高电压 一个锂离子电池单体的工作电压为3 7V 平均值 相当于三个串联的镍镉或镍氢电池 4 不含金属锂 锂离子电池不含金属锂 因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制 5 循环使用寿命长 连续充放电500次后 电池的容量依然不低于额定值的80 6 安全性高 该电池具有在短路 过充 过放 冲击 10kg重物自1m高自由落体 振动 枪击 针刺 穿透 高温 150 等状态下不起火 不爆炸等特点 7 无环境污染 它不含有镉 铅 汞这类有害物质 是一种洁净的 绿色 能源 8 无记忆效应 记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中 电池的容量减少的现象 锂离子电池不存在这种效应 性能比较 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 锂电池的应用 锂电池是一种新型的电池 在很多领域中得到了广泛应用 如 手机笔记本电脑电动自行车电动汽车航天器尖端武器等等 1 手机的应用 随着手机向轻 薄 短 小化的发展 对体积小而容量大的电池需要也就相应增强 这样就可以省下大量的空间 要使手机最小型化 只有锂电池是最好的电源 2 笔记本电脑的应用 由于笔记本电脑更新换代非常快 很多的笔记本电脑使用者每过一段时间都会更换最新的型号 一个笔记本电脑至少要配置一只锂电池 3 电动自行车和电动汽车的应用 对我国而言 交通污染日益严重 尾气 噪音等对环境的破坏到了必须加以控制和治理的程度 发展新一代电动交通工具作为无污染 少污染 能源多样化配置的新型交通工具将成为必然趋势 4 在航空航天方面的应用 由于锂电池具有很强的优势 目前许多航天组织也在考虑将锂电池应用于航天任务中 5 在军事方面的应用 对于军队而言 由于锂电池具有非常好的性能 能量密度高 质量轻 可促进武器的灵活性 6 其它方面的应用 小到从电子表手表 CD唱机 移动电话 MP3 MP4 照相机 摄影机 各种遥控器 剔须刀 手枪钻 儿童玩具等 大到从医院 宾馆 超市 电话交换机等场合的应急电源 电动工具 都有锂电池的应用 锂电池的发展前景 锂电池产业在发展过程中 存在着以下两点障碍 1 资源紧缺 地壳中锂元素的比例约为0 0065 其丰度在各种元素中居第27位 海水中锂的总储量达2600亿吨 但浓度太小 提炼困难 目前世界上只有少数国家拥有可经济开发利用的锂资源 而且即便是锂的成本和安全性的问题全部解决了 今后用锂离子电池替代汽油的话 也满足不了全部需求 因为这相当于用一种紧缺的资源去替代另一种紧缺的资源 2 成本问题 相对于铅酸蓄电池 锂电池用于电动助力车的成本较高是一个突出的特点 也是影响锂离子电池大规模替代铅酸蓄电池用于电动助力车的关键 锂电池的正极材料 负极材料 集流体 隔膜 电解质等主材价格比铅酸蓄电池高出很多 其组装辅材和外部电路系统成本则是铅酸蓄电池几乎没有的 锂电池的发展趋势 锂电池市场经过了近20年的快速发展 预期随着应用领域的拓展 锂电池的出货量会持续大幅度上升 将在更多领域替换Ni MH Ni Cd电池或与之共存 在IT领域 手机的替换率和数码产品的销量稳定增长 都将带动锂电池出货量的增加 在电动工具方面 锂电池的性能优势越来越明显 预期其替代Ni MH Ni Cd电池的速度将加快 并在未来5年内完成销售比重高低的转化 在备用电源方面 锂电池已开始应用 备用电源方面电池需求量巨大 在这个领域锂电池具有非常大的市场潜力 另外作为节能设备的储能电源 锂电池已有应用实例 这个市场的发展也将带动锂电池出货量的上升 目前在全球范围内 电动车的研究成为热点 各国政府都纷纷出台支持政策 支持新能源汽车的发展 各国政府在新能源汽车方面的强力支持将促进锂电池在此领域的应用量上升 并为新能源汽车的普及做出贡献 电池技术的发展促进了应用领域的扩大 而应用领域的扩大又要求锂电池具有更高的性能 更高的安全性 可以说更安全 更高容量 更长寿命 更高倍率将永远是锂电人技术追求的宿命 锂电池技术和市场的上升速度是史无前例的 其应用领域的拓展速度超过了以往任何一种化学电池 从应用领域看 动力车等的需求