锂电池

新时代的宠儿小组成员：张少坚（组长）刘泽宇庄渊娥梅澜馨什么是锂电池？锂电池（Lithiumbattery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生1970年代埃克森采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。1980年，J.Goodenough发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料1982年伊利诺伊理工大学发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与此同时，科学家尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。1983年，M.Thackeray、J.Goodenough等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。锂电池的发展锂电池的发展1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁(LiFePO4)，比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。后来，日本索尼公司发明了以碳材料为负极，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。随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用，并在近年逐步向其他产品应用领域发展。Andsoon…..重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5。能量比较高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg是铅酸电池的约6-7倍。使用寿命长，使用寿命可达到6年以上。磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组。具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速。绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金重金属和物质。自放电率（荷电保持能力）很低，这是该电池最突出的优越性之一，不到镍氢电池的1/20。高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用。快速充电，循环寿命高，无记忆效应等。生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。锂电池的缺点钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差。锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，生产要求条件高，成本高。这也是锂电池很晚才真正普及的一大原因。电极材料正极材料——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，现在又出现了镍钴锰酸锂材料，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。负极材料大体分为以下几种：第一种是碳负极材料：目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等第二种是锡基负极材料：锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。目前没有商业化产品。第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料，目前也没有商业化产品。第四种是合金类负极材料：包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金，目前也没有商业化产品。第五种是纳米级负极材料：纳米碳管、纳米合金材料。第六种纳米材料是纳米氧化物材料：使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大的提高锂电池的冲放电量和充放电次数。一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜组成，外加正负极引线、安全阀、PTC、电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多，但原理基本相同。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经隔膜和电解液，嵌入负极材料。放电以相反的过程进行。现以典型的液态锂离子电池为例，当以石墨为负极材料，LiCoO2为正极材料时，其充放电原理如下：正极上发生的反应为LiCoO2=Li1-xCoO2+XLi+xe-负极上发生的反应为6C+XLi+Xe-=LixC6电池总反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6锂电池的应用前景以负极为锂铁磷酸盐的锂电池为例，我们可以算锂电池的电动势：LiFePO4-xe-=Li1-xFePO4+xLiE⊖=3.2VxLi+Li1-xFePO4+xe-=LiFePO4E⊖=-0.5V所以E=3.2V-（-0.5）=3.7V负极材料电动势/vLi2Mn2O44.0LiFePO43.7Li2FePO4F3.6LiCoO23.7可以看出锂电池一般有高于3.0伏的标称电压,更适合作集成电路电源，广泛用于计算机、计算器、手表中。随着科技的发展，锂电池可以向着更小巧，性能更加优良的方向发展。锂电池的应用前景阿联酋锂电池公交（荷兰制造）随着人们生活水平的提高，更加提倡低碳生活。锂电池绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。这正符合这一主题，必将成为未来发展的一个重要领域。锂电池的应用前景“超级”锂电池刚研发出来的超级锂电池能在短时间迅速充电完成，例如手机充电一般20秒，这种电池有可能加大电池未来的使用领域，例如使用在电动汽车上，使中途充电如加油一般方便。超级锂电池的研究由美国西北大学主导，而孔博士则是位美籍华人。他表示虽然现在还有一些缺点，但是这种超级锂电池“即便在经过了一年多的使用和150次的充电之后”，它的效率仍比市场上“现有的锂离子电池高出5倍”。