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鋰電池系分類及材料介紹

發布時間:2018-02-28

      通常人們俗稱其為鋰電池,鋰電池又分多種鋰系列,如鋰離子電池和鋰金屬電池(金屬鋰),以鋰合金或鋰金屬作為負極材料的一種電池,最早在1912年便由Gilbert N. Lewis提出。    


     鋰金屬電池為一次電池(不可充電),相比其他鋰電池系,鋰金屬電池對加工、保存、環境、寬溫條件的要求高。金屬鋰在循環過程中會有鋰枝晶的產生,而且金屬鋰十分活潑,容易與空氣中的氧氣和水分等發生反應,并且金屬鋰不能耐高溫,給電池的組裝和應用帶來困難,所以這類鋰電池必須采用非水電解質,它們通常由有機溶劑和無機鹽組成,以不與鋰和電池其他材料發生持續的化學反應為原則。


     非水電解質常用:LiClO4、LiAsF6、LiAlCl4、LiBF4、LiBr、LiCl等無機鹽作鋰電池的電解質,而有機溶劑則一般是用PC、EC、DME、BL、THF、AN、MF中的二、三種混合作為有機溶劑使用。


      鋰電池系的正極活性物質常用的有:固態鹵化物如氟化銅(CuF2)、氯化銅(CuCl2)、氯化銀(AgCl)、聚氟化碳((CF)4),固態硫化物如硫化銅(CuS)、硫化鐵(FeS)、二硫化鐵(FeS2),固態氧化物如二氧化錳(MnO2)、氧化銅(CuO)、三氧化鉬(MoO3)、五氧化二釩(V2O5),固態含氧酸鹽如鉻酸銀(Ag2CrO4)、鉍酸鉛(Pb2Bi2O5),固態鹵素如碘(I2),液態氧化物如二氧化硫(SO2),液態鹵氧化物如亞硫酰氯(SOCl2)。因此,鋰一次電池有很多系列,常見的有鋰-二氧化錳、鋰-硫化銅、鋰-氟化碳、鋰-二氧化硫和鋰-亞硫酰氯等。


鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,它是把鋰離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負極(傳統鋰電池用鋰或鋰合金作負極),石油焦炭和石墨作負極材料無毒,且資源充足,鋰離子嵌入碳中,克服了鋰的高活性,解決了傳統鋰電池存在的安全問題,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。


正極材料常用LiCoO2,LiNiO2,和LiMnO4 ,電解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC),正極LiNiO2在充、放電性能和壽命上均能達到較高水平,使成本降低,總之鋰離子電池的綜合性能提高了。


鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列:

(1)正極——活性物質一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰,鎳鈷錳酸鋰材料,電動自行車則普遍用鎳鈷錳酸鋰(俗稱三元)或者三元+少量錳酸鋰,純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導電極流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

(2)隔膜——一種經特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔結構,可以讓鋰離子自由通過,而電子不能通過。

(3)負極——活性物質為石墨,或近似石墨結構的碳,導電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

(4)有機電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,聚合物的則使用凝膠狀電解液。

        (5)電池外殼——分為鋼殼(方型很少使用)、鋁殼、鍍鎳鐵殼(圓柱電池使用)、鋁塑膜(軟包裝)等,還有電池的蓋帽,也是電池的正負極引出端。因此,鋰離子電池有很多系列,常見的有鈷酸鋰電池、三元鋰電池、聚合物鋰電池、碳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池以及未來車企理想固態電池等。

   

     1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發現錳尖晶石是優良的正極材料,具有低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠低于鈷酸鋰,即使出現短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。

     

      1989年,A.Manthiram和J.Goodenough發現采用聚合陰離子的正極將產生更高的電壓。


      1992年日本索尼公司發明了以炭材料為負極,以含鋰的化合物作正極的鋰電池,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池,至今仍是便攜電子器件的主要電源。


      1996年Padhi和Goodenough發現具有橄欖石結構的磷酸鹽,如磷酸鐵鋰(LiFePO4),比傳統的正極材料更具安全性,尤其耐高溫,耐過充電性能遠超過傳統鋰離子電池材料。

 

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