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齐齐哈尔大学新型锂离子电池的发展概述学院：材料科学与工程学院 专业：无机非金属材料工程 班级： 学号： 姓名： 摘要 综述锂离子电池的概要、发展历史、研究成果、锂离子电池的分类、优缺点和未来发展道路。简述国家在新能源研究和开发道路上的优惠政策。关键字：锂离子 发展历史 优缺点 一、锂电池的概述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。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。是现代高性能电池的代表。根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。二、锂离子电池的发展历史 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。 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、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。 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。 此类以钴酸锂作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。 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。此类以钴酸锂作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。 1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸铁锂(LiFePO4)，比传统的正极材料更具安全性，尤其耐高温，耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。三、锂离子电池的研究成果经过长时间的研究，目前市场上的锂离子电池分为聚合物电池和液态锂离子电池。其中聚合物锂电池是锂离子电池的一种，但是与液锂电池(Li-ion)相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度可达0.5mm。 它的标称电压与Li-ion一样也是3.6或3.7V,没有记忆效应。是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。目前很多企业都在开发这种新型电池。而聚合物锂电池可以分为：固体聚合物电解质锂电池、凝胶聚合物电解质锂电池和聚合物正极材料锂离子电池。四、锂离子电池的组成锂离子电池包括正极、隔膜、负极、有机电解液、电池外壳五部分。1、 正极活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，现在又出现了镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10-20微米的电解铝箔 2、 隔膜一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。3、 负极活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔 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、 电池外壳分为钢壳（现在方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。五、锂离子电池的优点1、电压高单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍 2、比能量大目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。 3、循环寿命长一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。 4、安全性能好无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。 5、自放电小室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6、可快速充放电1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，现在磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。 7、工作温度范围高工作温度为-2545C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-4070C。六、锂电池的缺点1、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 2、回收率大约有1%的出厂新品因种种原因需要回收。 3、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，可导致电池寿命短。 4、不耐受过放过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。 5、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。 6、保护电路防止过充、过放、过载、过热。 7、排气孔因其具有防爆炸功能，电池界业内人士也称为防爆孔或防爆线。原理十分简单，在壳体表面划出一条比壳体表面厚度稍微薄一点的线或孔，当电芯短路时，电池内部短时间内将产生大量气体并迅速增大压强，当压力过载时，因防爆孔薄于壳体其余地方，气体便防爆孔处泄气，从而达到避免电芯整体爆炸的危险。 8、隔膜隔离电芯正、负极片，以防止卷芯内部正、负极片直接接触造成短路。七、锂电池的发展趋势 经过长时间的发展，锂电池发展了新的几种电池：有聚合物锂离子电池动力锂离子电池、高性能锂电池。1、聚合物锂离子电池 聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。目前很多企业都在开发这种新型电池。尤其是手机功能越来越多，导致耗电越来越多。要求电池容量相应地增加。在不增加电池厚度的情况下，聚合电池是有明显优势的。与此相似，笔记本电脑、蓝牙耳机、小灵通手机、移动DVD等电器都在向移动、便携化方向发展，都配上了液晶显示，而且功能在不断增多，液晶屏幕在不断增大。这些都给聚合物锂离子电池提供了一些机会。2、动力锂离子电池 动力锂离子电池：严格来说，动力锂离子电池是指容量在3AH以上的锂离子电池，目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池，由于使用对象的不同，电池的容量可能达不到单位AH的级别。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。3、高性能锂离子电池 为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。为此，改用一种新的合成方法。他们用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料。这种方法在纳米尺度材料上一举创建了储电单元和导电电路。 目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，成本较低，而其高性能可以保持很长时间。领导这项研究的马克西米利安菲希特纳博士说，如果能够充分开发这种新材料的潜力，将来可以使锂离子电池的储电密度提高5倍。八、新能源材料的国家政策 今年5月30日，国务院常务会议，讨论通过“十二五”国家战略性新兴产业发展规划，提出了节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源产业、新材料、新能源汽车七大战略性新兴产业的重点发展方向和主要任务。该“规划”被认为是2010年通过的关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定的细化文件，提出了各个产业的具体目标和阶段方向，并首次提出了将建设20项工程的具体“动作”。 规划出台后，各个产业细化的“十二五”规划也会在近期陆续出台。此外，各省市已经基本完善对战略性新兴产业的各项资金补助政策。数据显示，截至2011年底，全国共有24个省市设立了战略性新兴产业专项资金。同时，新批复了41只创投基金的设立方案，吸引社会资本70多亿元。国家层面，中央财政在2011年设立了战略性新兴产业发展专项资金，主要通过需求激励、商业模式创新等方式进行综合扶持，实施参股创投基金、重大