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液体锂离子电池知识初探

2018-11-12 16:10:00
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锂离子电池与多数可充电池不合,一般可充电池的负极是金属(以金属氧化物或金属氢氧化物情势溶解),而锂离子电池的负极是石墨或无定形碳的锂离子嵌入化合物。锂离子由正极质料供应,正极质料为锂化过渡金属氧化物,当增加过渡金属的价态时,锂化过渡金属氧化物可以或许开释其所含的锂。为此,电池反应式可以表示以下:
负极:Li++6C+E-e- C6Li (1)
正极:LiMO2 LiXMO2+xLi+ (2)
此中,M为过渡金属,多数环境下为Co,电池反应为充电标的目标。因为充放电期间锂离子在正负电极之间进了活动,是以这类电池被称为"摇椅电池"。不变的液体电解质是锂离子电池成功研制的关头。挑选线性碳酸脂和环状碳酸脂的组合物作为溶剂异化物(碳酸乙烯是石墨负极的关头溶剂),可以设想出宁静性好循环寿命长的锂离子电池。
锂离子电池的首要特性之一是其正极电位高,负极电位低。正极和负极可以或许构成电压很高的电池单体。因为能量是电压和容量的乘积,是以锂离子电池的能量密度也非常高。并且,锂离子电池活物质的分量很小,这使电池的比能量很高。是以,锂离子电池是小型轻量电子装备的抱负电源。
自锂离子电池问世以来,跟着研究职员对设想标准的熟谙的不竭深切,和更优良碳质料的不竭呈现,液体电解质锂离子电池的能量不竭获得进步。日本Sanyo公司在其比来的一篇文章中对锂离子电池的能量进步征象进行了综述。
锂离子电池能量密度增加的启事有两个,一是锂离子电池制造商之间的狠恶合作,二是来自镍金属氢化物(Ni/MH)电池的压力。Ni/MH电池的比能量比锂离子电池低,但是,为了保持其在便携式装备电池市场合占的份额,Ni/MH电池的能量密度进步很快。锂离子电池的首要市场是便携式电脑、挪动德律风和摄录象机。比来,Nomura研究所的Arthur D. Little带领的电池小组对锂离子电池与Ni/MH电池之间的市场合作进行了阐发。图2为世界各地市场便携式电脑的发卖量。A.D.Little估计,便携式电脑的综合增加率将年夜于13%。因为比能量比Ni/MH电池高,锂离子电池据有着目前便携式电脑市场的主导职位,Ni/MH电池只是仰仗其代价昂贵的上风,才据有了便携式电脑的入门级产品和低端产品市场的一小部分。很多计较机用锂离子电池都由6至9外圆柱形单体串/并联构成。因为Ni/MH电池单体电压只需锂离子电池都由6至9个圆柱形单体串/并联构成。因为Ni/MH电池单体电压只需锂离子电池单体的1/3,是以,对一样请求的计较机电池而言,采取Ni/MH电池体系所请求的单体要多很多。
挪动德律风是液体电解质锂离子电池的第二个首要市场。很多挪动德律风都利用方形的1单体锂离子电池或3单体Ni/MH电池组。Ni/MH电池据有着GSM挪动德律风市场的年夜部分份额。在日本,几近100%的PDC体系挪动德律风都已转为利用锂离子电池,同时,年夜部分TDMA挪动德律风和CDMA挪动德律风也利用锂离子电池。
固然Takeshita希望挪动德律风的年市场发卖额在二十世纪九十年代后期可以或许呈现年夜的增加,但是,他没有想到增加速率会如此之快。比来,Motorala公司传播鼓吹,在挪动德律风电池的庇护电路中采取单一芯片,这将对挪动德律风用锂离子电池在新世纪保持疾速增加产生主动影响。
在之前的报导中,对锂离子电池和Ni/MH电池之间的市场合作以图表情势进行了比较,图表中介绍了这两种范例电池的各种用处的总发货量及其总价值。Takeshita在1998年和1999年的电源会群情文集合对这些数据进行了介绍。
可以看到,1999年,Ni/MH电池的年发货量到达颠峰,而锂离子电池体系的年发货量的继续增加,到2004年,锂离子电池的增加场面地步靠近安稳。因为锂离子电池的均匀代价比Ni/MH电池高,是以,锂离子电池的年发卖额要比Ni/MH电池高很多。实际上,两种范例电池的代价都在降落,但是,Ni/MH电池的代价比锂离子电池降落得更快。是以,Ni/MH电池的年发卖额呈持久下滑趋势,而锂离子电池因为发卖量增加,其年发卖额保持不变状况。导致这类征象的部分启事是,因为电子装备设想效力的进步,使电池的规格减小。九家日本公司(Sanyo公司、Sony公司、Matsushita公司、A&T公司、GS公司、Melcotec公司、NEC公司、Moli公司和Hetachi公司)之间的狠恶合作和质料本钱降落是导致这类征象的另外一个首要身分。
如果可以或许开辟出代价昂贵的活性子料,便可以进步电池的能量含量,降落电池的制造本钱,使锂离池的便携机能获得必然程度的改进。但是,利用目前的质料,锂离子电池制造商的利润远景其实不看好。固然如此,韩国、中国年夜陆及台湾地区的几家制造商正筹办进入锂离子电池市场。台湾在为便携式电脑供应电池方面具有上风,因为很多便携式电脑都产于台湾。韩国和中国在为挪动德律风供应电池方面具有上风。这些制造商进入锂离子电池市场,可能会使日本锂离子电池制造业更加不景气。美国的制造商PolyStor公司正在进行不懈努力,他们的研制重点集合在挪动德律风和小型电子装备用方形锂离子电池的批量生产上。别的另有几家美国公司正筹办进入小型电子装备(如医疗和军事用处)用锂离子电池市场。
聚合物锂离子电池
聚合物锂离子电池的电极反应与锂子电池近似,但是,聚合物锂离子电池的两个电极和隔阂中都含有胶体聚合物。在电池中利用胶体电解质其实不新奇,LeClanche电池就用胶体聚合物隔阂制造,并以此闻名于世近一个世纪。但是,在电池的三个部件中都利用聚合物的思惟却相当先进。Bellcore公司J-W Tarascon带领的事情组开辟出了聚合物锂离子电池计划,采取该计划可以或许制造出很薄的电池,电池具有塑料-铝层压密封壳体,制造工艺非常矫捷,可以或许很容易地对电池组的接口地区进行点窜。电池界人士以为,非活动性电解质电池比液体电解质电池更宁静,固然目前公布的宁静性测试成果还没有证明这一点。
聚合物锂离子电池的目前状况为薄型电池组,可以由几种体例制备。一种薄型电池为方形薄型电池,利用微孔聚乙烯隔阂,钢或铝外壳。A&T电池公司正在研制厚度仅为3.6mm、能量密度适中并且机能非常好的聚合物锂离子电池。另外一种电池利用液态电解质、聚乙烯隔和聚合物/铝层压密壳体,这类壳体的制造体例比钢壳体更矫捷简朴。第三种电池为Bellcore公司的聚合物锂离子电池,该电池利用各种形态的胶体聚合物,采取聚合物/铝层压密封壳体。Bellcore公司聚合物锂离子电池的电解质利用的不是其已获专利的PVDF,而是别的几种胶体聚合物。年夜力开辟聚合物锂离子电池的厂家包含日本的Sony公司、Sanyo公司、Matsushita公司、GS公司、Melcotec公司、A&T公司和美国的HET公司、Valence技术公司、Ultralife公司、Gould公司和SAFT美国公司。聚合物锂离子电池的能量密度一般年夜约270Wh/1,比能量年夜约为130Wh/kg。对挪动德律风而言,方形薄电池是最抱负的形状,这也是目火线形液体电解质锂离子电池在市场上红火的首要启事。跟着功率和能量请求的降落,聚合物锂离子电池将成为挪动德律风的最好婚配物。聚合物锂离子电池的另外一个市场据有率疾速增加的用处是手持式小我数据措置体系(PDA),特别是可以或许拜候互联网和发电子邮件的PDA。PDA正成为那些需与用户或公司总部进行数据互换的观光贸易人士的首要东西。目前,方形液体电解质锂离子电池是PDA的首要电源,但是,聚合物锂离子电池正努力占据该市场,以代替液体电解质锂离子电池。
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