锂电池的原理与应用

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1、锂电池的原理与应用栗宇深汤敏贤刘炤元黄庆泉摘要：锂电池已广泛用于各种电子产品中，在未来的电动汽车也有着很好的应用前景，必将对未来人们的生活产生深刻的影响。本文将分别从发展过程、正负极及电解质材料的原理、应用及最新发展状况对锂电池进行综述。关键词：锂离子电池聚合物锂电池阳极材料阴极材料电解质人类对锂电池最初的开发是在上世纪六十年代。由于在金属中，锂元素有着最小的密度和最大的电负性，故而应当具有最高的比能量。但由于其抗腐蚀性及安全性不易控制，并没有得到商业化。七十年代，松下电器研制出Li/(CFx)n电池，解决了

2、上述不足，三洋公司推出Li/MnO2电池，并在计算器领域得到普及。以上所提均为一次性锂电池，最早开发成功的是加拿大Moli公司在八十年代推出的Li/S2电池，同样由于安全性因素，它并未普及。1990年SONY公司成功研制出二次锂离子电池，它终于以自身的诸多优点在商业上得到广泛应用。图1.几种常见电池的比能量与比功率曲线[1]图2.几种常见电池的放电电压曲线[2]锂电池作为一种新兴技术，与传统电池相比有着诸多优势（详见附表一）：1．比能量高：描述电池性能的指标各种各样，其中用户最关心的是它的比能量的高低，即在放

3、出尽可能多的能量的同时有着尽可能少的自身消耗。如前所述，锂元素有着最小的密度和最大的电负性，如图1，消耗相同质量的电池材料，锂电池放出的能量明显高于同类传统电池的值。2．放电电压稳定：许多电子线路要求电池提供相对稳定的放电电压，在图2中可以看到，锂电池（特别是一次锂电池）就具备这种特性。例如Li/SO2电池的放电曲线就十分平坦，特别是Li/SOCl2电池，它在电量用尽前的电压可接近稳压电源的水平。3．没有记忆效应，可随时补充充电。这样就使锂离子电池效能得到充分发挥，而镉镍电池、镍氢电池会有电量使用不完全时需要

4、先放电后才能充电的缺点。4．锂离子电池不含汞、镉、铅等有毒元素，是绿色环保电池。46当然，锂电池也有着较明显的劣势。一是安全性，目前来看，传统锂电池发生短路甚至爆炸的机率远高于其它传统电池，锂离子电池虽有改善，但安全系数仍然较低。二是比功率的问题，在承担1高负荷的情况下，锂电池的性能尚不及镉镍电池及锌银电池。三是由于锂电池的金属稀有及结构复杂而导致的成本问题。这些都是科学家目前致力解决的问题。早期的锂电池的负极材料是单质锂，由于锂相当活泼，遇水会剧烈反应生成LiOH，甚至燃烧或爆炸，所以一般采用非水电解液，如

5、无机的SOCl2及有机的四氢呋喃等。虽然如此，由于锂的强活性，安全问题仍然很难解决，尤其是到了二次锂电池时期，反复的充放电使得高活性的粉状锂单质积累得[4]越来越多；在充电过程中形成的锂晶体可能结成枝状，引起短路等严重问题，对此人们采取的措施一般是使用锂合金或采用尽可能小孔径的隔膜等。图3．摇椅式锂离子电池的充放电原理今天我们所见到的锂离子电池（简称锂电池，下同）采取了更根本的解决方案，不再使用单质锂，电池的核心部分变为锂离子及锂嵌合物。锂电池主要由阴极、阳极、能传导锂离子的电解质以及把阴阳极隔开的隔膜组成。

6、锂电池的实质是一种浓差电池，其正负电极材料由两种不同的锂离子嵌入+化合物组成，正极为不同类型的含锂化合物，负极则由石墨一类的物质形成层状结构，Li可填充于其中。如图3，在充电时，阴极部分的锂离子脱嵌，离开含锂化合物，透过隔膜向阳极移动，并嵌入到阳极的层状结构中；反之在放电时，锂离子在负极脱嵌，移向正极并结合于正极的化合物之中。与++传统锂电池不同的是，被氧化还原的物质不再是Li和Li，Li只是伴随着两极材料本身发生放电而产生的氧化态的变化而反复脱嵌与嵌入，往返于两极之间，所以锂电池又被称作摇椅电池(Rocki

7、ngchairbattery)。此种电池的一个典型放电原理为：+-正极：CoO2+Li+e=LiCoO2-+负极：LiC6-e=6C+Li总反应：CoO2+LiC6=LiCoO2+6C早期的负极材料直接使用锂单质，这样的结果是在充电时，生成的锂很可能会形成枝状晶体，从而刺穿隔膜而导致短路、漏电甚至爆炸。随后采用的锂合金（如LiAl等）克服了晶枝的问题，但它在反复充电的过程中，由于晶格的不紧密性会逐渐膨胀并粉末化，使得放电能力逐渐丧失。随后又出现了改进的氧化物型负极，但仍有缺陷。1980年以后，在摇椅电池的理论

8、上，人们发现，锂在碳材料中的嵌入过程的电位接近锂金属本身的电位，且不易与有机电解质反应，循环性更佳。1990年，[5]锂离子电池投入生产，目前，锂电池的负极材料主要采用碳材料。锂离子二次电池的蓄电能力在很大程度上取决于负极材料的选取，优秀的负极材料应该具有以下特性:47+①Li在脱嵌过程中电极电位变化较小，且接近金属锂的电位+②与Li的插入过程吉布斯自由能变化小，保证过程的高度可逆性+③在电极结构的