智能化進程中的鋰離子電池

文 感測器技術（WW_CGQJS）

電子產品、醫療器械和家用電器的普及，以及集成電路的發展，不僅要求化學電源體積小，而且還要求能量密度高、密封性和貯存性能好、電壓精度高。因此電池池的研究重點轉向蓄電池，1988年，鎳鎘電池實現商品化。1992年，鋰離子電池實現商品化。

鋰離子電池

鋰離子電池是一種充電電池，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：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處於富鋰狀態；放電時則相反。一般採用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現代高性能電池的代表。

鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發展而來。所以在介紹之前，先介紹鋰電池。舉例來講，以前照相機里用的扣式電池就屬於鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫醯氯，負極是鋰。電池組裝完成後電池即有電壓,不需充電。這種電池也可以充電,但循環性能不好，在充放電循環過程中,容易形成鋰結晶，造成電池內部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

鋰離子電池：炭材料鋰電池

後來，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。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

目前所說的鋰離子電池通常為鋰二次電池。

該電池成功的利用能可逆脫嵌鋰的碳材料替代金屬鋰作為負極，克服了鋰二次電池循環壽命低、安全性差的缺點，鋰離子電池得以商品化。標誌著電池工業的一次革命。

鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆：

（1）鋰電池：以金屬鋰為負極。

（2）鋰離子聚合物電池：用聚合物來凝膠化液態有機溶劑。或者直接用全固態聚合物電解質。

鋰離子電池一般以石墨類碳材料為負極。

鋰離子電池特點

鋰離子電池的發展歷史

1970年代埃克森的M.S.Whittingham採用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，製成首個鋰電池。

1982年伊利諾伊理工大學(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發現鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，並且可逆。與此同時，採用金屬鋰製成的鋰電池，其安全隱患備受關注，因此人們嘗試利用鋰離子嵌入石墨的特性製作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試製成功。

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，且氧化性遠低於鈷酸鋰，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發現採用聚合陰離子的正極將產生更高的電壓。

1992年索尼公司發布首個商用鋰離子電池。隨後，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。因此已成為當前主流的大電流放電的動力鋰電池的正極材料。

綜觀電池發展的歷史，可以看出當前世界電池工業發展的三個特點，一是綠色環保電池迅猛發展，包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等；二是一次電池向蓄電池轉化，這符合可持續發展戰略；三是電池進一步向小、輕、薄方向發展。在商品化的可充電池中，鋰離子電池的比能量最高，特別是聚合物鋰離子電池，可以實現可充電池的薄形化。正因為鋰離子電池的體積比能量和質量比能量高，可充且無污染，具備當前電池工業發展的三大特點，因此在發達國家中有較快的增長。電信、信息市場的發展，特別是行動電話和筆記本電腦的大量使用，給鋰離子電池帶來了市場機遇。而聚合物鋰離子電池以其在加工性能、質量、材料價格等方面的獨特優勢，將逐步取代液體電解質鋰離子電池，而成為鋰離子電池的主流。聚合物鋰離子電池被譽為 「21世紀的電池」，將開闢蓄電池的新時代，發展前景十分樂觀。

鋰離子電池類型

1、圓柱型鋰離子電池(Cylindrical Li-ionBattery)

圓柱型的外觀與內部結構如圖所示，通常正負極與隔膜被繞卷到負極柱上，再裝入圓柱型鋼殼，然後注入電解液，封口，最後產品得以成型。下圖中還包括正溫度係數端子（PTC）和安全閥（Safety Vent）等安全部件。

2、方型鋰離子電池（PrismaticLi-ion Battery）

方型鋰離子電池外觀與內部結構如圖所示，其主要部件與圓柱型鋰離子電池類似，主要也是由正負極和電解質，以及外殼等部件組成。通常電解質為液態時，使用鋼殼；若使用聚合物電解質，則可以使用鋁塑包裝材料。

3、紐扣鋰離子電池（Coin Li-ion Battery）

除圓柱型鋰離子電池和方型鋰離子電池外，還有紐扣鋰離子電池（Coin

Li-ion Battery），這種電池結構簡單，通常用於科研測試。

4、薄膜鋰離子電池（ThinFilm Li-ion Battery ）

薄膜鋰離子電池是鋰離子電池發展的最新領域, 其厚度可達毫米甚至微米級，常用於銀行防盜跟蹤系統、電子防盜保護、微型氣體感測器、微型庫侖計等微型電子設備。

鋰離子電池 的主要組成部分

（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於體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導電集流體使用厚度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。

鋰離子電池的工作原理

當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內部的電化學反應需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產生泡沫，反而不滿。

對電池來說，正常使用就是放電的過程。鋰電池放電需要注意幾點：

第一，放電電流不能過大，過大的電流導致電池內部發熱，有可能會造成永久性的損害。在手機上，這個倒是沒有問題的，可以不考慮。

第二，絕對不能過放電！鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低於2.7V，將可能導致電池報廢。好在手機電池內部都已經裝了保護電路，電壓還沒低到損壞電池的程度，保護電路就會起作用，停止放電。從圖上可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。

作用機理

鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，被形象地稱為「搖椅電池」。

鋰離子電池的製作工藝

鋰電池的正極材料有鈷酸鋰LiCoO2 、三元材料Ni+Mn+Co、錳酸鋰LiMn2O4加導電劑和粘合劑，塗在鋁箔上形成正極，負極是層狀石墨加導電劑及粘合劑塗在銅箔基帶上，至今比較先進的負極層狀石墨顆粒已採用納米碳。

1、製漿：用專門的溶劑和粘結劑分別與粉末狀的正負極活性物質混合，經攪拌均勻後，製成漿狀的正負極物質。

2、塗膜：通過自動塗布機將正負極漿料分別均勻地塗覆在金屬箔表面，經自動烘乾後自動剪切製成正負極極片。

3、裝配：按正極片—隔膜—負極片—隔膜自上而下的順序經卷繞注入電解液、封口、正負極耳焊接等工藝過程，即完成電池的裝配過程，製成成品電池。

4、化成：將成品電池放置測試櫃進行充放電測試，篩選出合格的成品電池，待出廠。

聚合物鋰離子電池

作為第三代鋰離子電池的聚合物鋰電，有什麼特點和優勢，下面我們來簡單的介紹一下

隨著攜帶型電子產品的應用越來越廣、市場需求越來越多，鋰電池的需求量也隨之增加。基於如此廣闊的市場，世界各大電池公司為了在這個市場領域中取得領先的地位，無不致力於開發具有更高能量密度、小型化、薄型化、輕量化、高安全性、長循環壽命與低成本的新型電池。其中，聚合物鋰離子(Lithium ion polymer)電池因為具有上述各項優點，更是各家廠商致力研發的目標。聚合物鋰離子電池基於安全、輕薄等特性，符合便攜、移動產品的要求，因此，在未來2～3年內，聚合物鋰電池取代鋰離子電池市場的份額將達50％，被稱為21世紀移動設備的最佳電源解決方案。

使用聚合物鋰電的八大理由:

安全性能好 聚合物鋰電池在結構上採用鋁塑軟包裝，有別於液態電芯的金屬外殼，一旦發生安全隱患，液態電芯容易爆炸，而聚合物電芯最多只會氣鼓。

厚度小，能做得更薄 普通液態鋰電採用先定製外殼，後塞正負極村料的方法，厚度做到3.6mm以下存在技術瓶頸，聚合物電芯則不存在這一問題，厚度可做到1mm以下，符合時下手機需求方向。

重量輕 聚合物電池重量較同等容量規格的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%。

容量大 聚合物電池較同等尺寸規格的鋼殼電池容量高10～15%，較鋁殼電池高5～10%，成為彩屏手機及彩信手機的首選，現在市面上新出的彩屏和彩信手機也大多採用聚合物電芯。

內阻小 聚合物電芯的內阻較一般液態電芯小，目前國產聚合物電芯的內阻甚至可以做到35mΩ以下，極大的減低了電池的自耗電，延長手機的待機時間，完全可以達到與國際接軌的水平。這種支持大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的理想選擇，成為最有希望替代鎳氫電池的產品。

形狀可定製 聚合物電池可根據客戶的需求增加或減少電芯厚度，開發新的電芯型號，價格便宜，開模周期短，有的甚至可以根據手機形狀量身定做，以充分利用電池外殼空間，提升電池容量。

放電特性佳 聚合物電池採用膠體電解質，相比液態電解質，膠體電解質具有平穩的放電特性和更高的放電平台。

保護板設計簡單 由於採用聚合物材料，電芯不起火、不爆炸，電芯本身具有足夠的安全性，因此聚合物電池的保護線路設計可考慮省略PTC和保險絲，從而節約電池成本。

石墨烯在鋰離子電池電極材料的應用

石墨烯是單層的碳原子，以sp2雜化軌道組成的片狀連續六角型的二維材料。它是已知的世上最薄、最高強度和硬度、幾乎完全透明的晶體材料，只吸收2.3%的可見光，理想狀態下的強度約為普通鋼的100倍，與碳納米管的導熱係數上限5 800W /（m·K）相當，室溫下它的電子遷移率在15 000cm2/（V·s）以上，高於一般的碳納米管並高於硅晶體10倍以上，它的電阻率約為10-6Ω·m，低於銅和銀，為世上電阻率最小的材料，理論比表面積可達到2 630 m2/g。

石墨烯的高導電、導熱性、低電阻率、高強度和硬度，以及易與其他材料合成的雙面開放的結構特性，將有希望大幅度提高現有鋰離子電池的性能。根據許多石墨烯鋰離子電池的研究進展可以發現，石墨烯在改善鋰離子電池性能方面的潛能。石墨烯與鋰離子電池的正極材料複合，可以增加電極材料的比表面積、改善導電率從而提高材料的有效容量。與金屬氧化物複合可以增加材料的導電率，由於石墨烯本身的結構特性可以避免金屬氧化物在充放電過程中的體積膨脹，從而增加材料的穩定性，提高材料的充放電壽命。

現階段，石墨烯本身質量難以達到無缺陷和100%的單層率，導致石墨烯鋰離子電池的性能，無法到達預期的性能。但是在石墨烯製備技術不斷發展的趨勢下，石墨烯質量較之前有大幅度提升，我們可以預期未來的石墨烯電池的性能將有更大幅度的性能提升。

近年來，可穿戴設備、 無線藍牙音箱等新興電子產品市場前景可觀。 隨著智能化進程，預計3C鋰電池市場需求將會持續增長。對於鋰電池企業來說，應把握市場發展趨勢，充分挖掘新興電子產品市場需求，研發出高安全、高倍率的3C鋰離子電池。

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