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锂电池系分类及材料介绍

发布时间:2018-02-28

      通常人们俗称其为锂电池,锂电池又分多种锂系列,如锂离子电池和锂金属电池(金属锂),以锂合金或锂金属作为负极材料的一种电池,最早在1912年便由Gilbert N. Lewis提出。    


     锂金属电池为一次电池(不可充电),相比其他锂电池系,锂金属电池对加工、保存、环境、宽温条件的要求高。金属锂在循环过程中会有锂枝晶的产生,而且金属锂十分活泼,容易与空气中的氧气和水分等发生反应,并且金属锂不能耐高温,给电池的组装和应用带来困难,所以这类锂电池必须采用非水电解质,它们通常由有机溶剂和无机盐组成,以不与锂和电池其他材料发生持续的化学反应为原则。


     非水电解质常用:LiClO4、LiAsF6、LiAlCl4、LiBF4、LiBr、LiCl等无机盐作锂电池的电解质,而有机溶剂则一般是用PC、EC、DME、BL、THF、AN、MF中的二、三种混合作为有机溶剂使用。


      锂电池系的正极活性物质常用的有:固态卤化物如氟化铜(CuF2)、氯化铜(CuCl2)、氯化银(AgCl)、聚氟化碳((CF)4),固态硫化物如硫化铜(CuS)、硫化铁(FeS)、二硫化铁(FeS2),固态氧化物如二氧化锰(MnO2)、氧化铜(CuO)、三氧化钼(MoO3)、五氧化二钒(V2O5),固态含氧酸盐如铬酸银(Ag2CrO4)、铋酸铅(Pb2Bi2O5),固态卤素如碘(I2),液态氧化物如二氧化硫(SO2),液态卤氧化物如亚硫酰氯(SOCl2)。因此,锂一次电池有很多系列,常见的有锂-二氧化锰、锂-硫化铜、锂-氟化碳、锂-二氧化硫和锂-亚硫酰氯等。


锂离子电池是一种二次电池(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:充电时,它是把锂离子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成负极(传统锂电池用锂或锂合金作负极),石油焦炭和石墨作负极材料无毒,且资源充足,锂离子嵌入碳中,克服了锂的高活性,解决了传统锂电池存在的安全问题,负极处于富锂状态;放电时则相反。


正极材料常用LiCoO2,LiNiO2,和LiMnO4 电解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC),正极LiNiO2在充、放电性能和寿命上均能达到较高水平,使成本降低,总之锂离子电池的综合性能提高了。


钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列:

(1)正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,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。导电极流体使用厚度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(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。因此,锂离子电池有很多系列,常见的有钴酸锂电池三元锂电池、聚合物锂电池、碳酸锂电池、磷酸铁锂电池以及未来车企理想固态电池等。

   

     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。


      1992年日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池,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。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。

 

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