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聚合物鋰離子電池

根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料的不同,鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池(Liquified Lithium-Ion Battery,簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IB)和聚合物鋰離子電池(Polymer Lithium-Ion Battery, 簡(jiǎn)稱為PLB)或塑料鋰離子電池(Plastic Lithium Ion Batteries, 簡(jiǎn)稱為PLB)。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的,正極材料分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料,負(fù)極為石墨,電池工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同, 液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質(zhì), 聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來(lái)代替, 這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物凝膠電解質(zhì)。

  1分類

  固體

  固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物,這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低,可在常溫下使用。

  凝膠

  凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑,從而提高離子電導(dǎo)率,使電池可在常溫下使用。

  聚合物

  由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰離子電池相比,聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn),因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼,從而可以改善整個(gè)電池的比容量;聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料,其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰離子電池提高20%以上。聚合物鋰離子(Polymer Lithium-Ion Battery)電池具有小型化、薄型化、輕量化的特點(diǎn)。因此,聚合物電池在市場(chǎng)占有會(huì)逐漸增多。

  2特點(diǎn)

  聚合物鋰離子電池具有以下特點(diǎn) :

 ?、偎苄戊`活性;

 ?、诟叩馁|(zhì)量比能量(3倍于MH-Ni電池);

 ?、垭娀瘜W(xué)穩(wěn)定窗口寬,可達(dá)5V;

 ?、芡昝赖陌踩煽啃裕?/p>

 ?、莞L(zhǎng)循環(huán)壽命,容量損失少;

 ?、摅w積利用率高;

 ?、邚V泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

  3注意事項(xiàng)

  一 重視短路情況

  聚合物鋰離子電池,在充電過(guò)程中很容易發(fā)生短路情況。包括:內(nèi)部短路,外部短路等情況。

  雖然,現(xiàn)在大多數(shù)鋰離子電池都帶有防短路的保護(hù)電路,還有防爆線,但很多情況下,這個(gè)保護(hù)電路在各種情況下不一定會(huì)起作用,防爆線能起的作用也很有限。

  二 充電不要過(guò)充

  聚合物鋰離子電池,如果充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),發(fā)生膨脹的可能性就會(huì)加大。

  鋰的化學(xué)性質(zhì)非?;顫?,很容易燃燒,當(dāng)電池充放電時(shí),電池內(nèi)部持續(xù)升溫,活化過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體膨脹,電池內(nèi)壓加大,壓力達(dá)到一定程度,如外殼有傷痕,即會(huì)破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸。而聚合物鋰離子電池只會(huì)膨脹。

  大家在使用時(shí)候,一定要注意安全。

  4原理

  鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。其中,液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物L(fēng)iCoO2,LiNiO2或LiMn2O4,負(fù)極采用鋰—碳層間化合物L(fēng)ixC6,典型的電池體系為:

  (-) C | LiPF6—EC+DEC | LiCoO2 (+)

  正極反應(yīng)(氧化反應(yīng)):LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe- ----------- (2.1)

  負(fù)極反應(yīng)(還原反應(yīng)):6C+xLi++xe-=LixC6 ----------- (2.2)

  電池總反應(yīng):LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6 ----------- (2.3)

  聚合物鋰離子電池的原理與液態(tài)鋰相同,主要區(qū)別是電解液與液態(tài)鋰不同。電池主要的構(gòu)造包括有正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。所謂的聚合物鋰離子電池是說(shuō)在這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料做為主要的電池系統(tǒng)。而在目前所開(kāi)發(fā)的聚合物鋰離子電池系統(tǒng)中,高分子材料主要是被應(yīng)用于正極及電解質(zhì)。正極材料包括導(dǎo)電高分子聚合物或一般鋰離子電池所采用的無(wú)機(jī)化合物,電解質(zhì)則可以使用固態(tài)或膠態(tài)高分子電解質(zhì),或是有機(jī)電解液,一般鋰離子技術(shù)使用液體或膠體電解液,因此需要堅(jiān)固的二次包裝來(lái)容納可燃的活性成分,這就增加了重量,另外也限制了尺寸的靈活性。

  新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化(ATL電池最薄可達(dá)0.5毫米,相于一張卡片的厚度)、任意面積化和任意形狀化,大大提高了電池造型設(shè)計(jì)的靈活性,從而可以配合產(chǎn)品需求,做成任何形狀與容量的電池,為設(shè)備開(kāi)發(fā)商在電源解決方案上提供了一些設(shè)計(jì)靈活性和適應(yīng)性,以最大化地優(yōu)化其產(chǎn)品性能。同時(shí),聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%,其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池,有一些改善。

  5展望

  目前手機(jī)有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì):

  (1) 手機(jī)本身向小型化、薄化方向發(fā)展,以方便消費(fèi)者的攜帶;

  (2) 手機(jī)設(shè)計(jì)的個(gè)性化,表現(xiàn)在設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不再是原來(lái)方方正正的形狀,不規(guī)則形狀、曲線、弧面設(shè)計(jì)成為手機(jī)設(shè)計(jì)美學(xué)化的主;

  (3) 使用彩屏、手機(jī)功能的不斷增加。為了使手機(jī)小型化,電池減小、減薄是一個(gè)最有效的途徑。4mm以下厚度電池有成為薄型手機(jī)配置的主流趨勢(shì),從性價(jià)比來(lái)講,這是聚合物的特長(zhǎng)。不規(guī)則形狀、曲線、弧面設(shè)計(jì)造型的手機(jī)給電池留下的有效空間變成了不規(guī)則形狀。液態(tài)的長(zhǎng)方型不能有效利用空間,容量較低,而疊片式聚合物可以將這種不規(guī)則空間最有效地利用起來(lái),使容量放大。最近TCL金能公司推出的圓弧型電池、梯形電池、背包電池能使手機(jī)比使用相應(yīng)規(guī)格的液態(tài)電池容量增加20%以上。手機(jī)功能越來(lái)越多,導(dǎo)致耗電越來(lái)越多。要求電池容量相應(yīng)地增加。在不增加電池厚度的情況下,聚合電池是有明顯優(yōu)勢(shì)的。與此相似,筆記本電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、小靈通手機(jī)、移動(dòng)DVD等電器都在向移動(dòng)、便攜化方向發(fā)展,都配上了液晶顯示,而且功能在不斷增多,液晶屏幕在不斷增大。這些都給聚合物鋰離子電池提供了一些機(jī)會(huì)。

  聚合物鋰離子電池在全球技術(shù)成熟并商業(yè)化已經(jīng)2年多時(shí)間了,雖然銷量正在快速增長(zhǎng),但其市場(chǎng)份額還在10%左右,和液態(tài)鋰電90%的市場(chǎng)份額無(wú)法相比,大大低于人們的預(yù)期。由于各種原因,目前市場(chǎng)上聚合物的價(jià)格普遍要高于液態(tài)鋰電,但是,由于移動(dòng)電器的競(jìng)爭(zhēng)模式正在悄悄地發(fā)生變化,特別是聚合物電池給移動(dòng)電器帶來(lái)的設(shè)計(jì)價(jià)值創(chuàng)新(如4mm厚度以下的優(yōu)越性能、大型規(guī)格電池),聚合物電池正被越來(lái)越多的手機(jī)、移動(dòng)DVD等設(shè)計(jì)人員所認(rèn)識(shí),因而聚合物廠商還是信心十足,堅(jiān)信聚合物的時(shí)代一定會(huì)到來(lái)。

  6優(yōu)缺點(diǎn)

  優(yōu)點(diǎn)

  1. 單體電池的工作電壓高達(dá)3.6v~3.8v 遠(yuǎn)高于鎳氫和鎳鎘電池的1.2V 電壓。

  2. 容量密度大,其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5~2.5 倍,或者更高。

  3. 自放電小,在放置很長(zhǎng)時(shí)間后其容量損失也很小。

  4. 壽命長(zhǎng),正常使用其循環(huán)壽命可達(dá)到500 次以上。

  5. 沒(méi)有記憶效應(yīng),在充電前不必將剩余電量放空,使用方便。

  6.安全性能好

  聚合物鋰電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑軟包裝,有別于液態(tài)電芯的金屬外殼,一旦發(fā)生安全隱患,液態(tài)電芯容易爆炸,而聚合物電芯最多只會(huì)氣鼓。

  7.厚度小,能做得更薄

  超薄,電池能夠組裝進(jìn)信用卡中。普通液態(tài)鋰電采用先定制外殼,后塞正負(fù)極材料的方法,厚度做到3.6mm以下存在技術(shù)瓶頸,聚合物電芯則不存在這一問(wèn)題,厚度可做到1mm以下,符合時(shí)下手機(jī)需求方向。

  8.重量輕

  采用聚合物電解質(zhì)的電池?zé)o需金屬殼來(lái)作為保護(hù)外包裝。聚合物電池重量較同等容量規(guī)格的鋼殼鋰電輕40%,較鋁殼電池輕20%。

  9.容量大

  聚合物電池較同等尺寸規(guī)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(jī)及彩信手機(jī)的首選,現(xiàn)在市面上新出的彩屏和彩信手機(jī)也大多采用聚合物電芯。

  10.內(nèi)阻小

  聚合物電芯的內(nèi)阻較一般液態(tài)電芯小,目前國(guó)產(chǎn)聚合物電芯的內(nèi)阻甚至可以做到35mΩ以下,極大的減低了電池的自耗電,延長(zhǎng)手機(jī)的待機(jī)時(shí)間,完全可以達(dá)到與國(guó)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(chǎn)品。

  11.形狀可定制

  制造商不用局限于標(biāo)準(zhǔn)外形,能夠經(jīng)濟(jì)地做成合適的大小。聚合物電池可根據(jù)客戶的需求增加或減少電芯厚度,開(kāi)發(fā)新的電芯型號(hào),價(jià)格便宜,開(kāi)模周期短,有的甚至可以根據(jù)手機(jī)形狀量身定做,以充分利用電池外殼空間,提升電池容量。

  12.放電特性佳

  聚合物電池采用膠體電解質(zhì),相比液態(tài)電解質(zhì),膠體電解質(zhì)具有平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺(tái)。

  13.保護(hù)板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單

  由于采用聚合物材料,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(hù)線路設(shè)計(jì)可考慮省略PTC和保險(xiǎn)絲,從而節(jié)約電池成本。

  缺點(diǎn)

  1. 電池成本高,電解質(zhì)體系提純困難。

  2. 需要保護(hù)線路控制,過(guò)充或者過(guò)放都會(huì)使電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的可逆性遭到破壞,從而嚴(yán)重影響電池的壽命。

  7性能研究

  對(duì)均聚物聚偏氟乙烯(PVdF)、偏氟乙烯與六氟丙烯的二元共聚物(PVdF-HFP)分別作為聚合物鋰離子電池骨架材料的性能進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明,采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段,可使PVdF作為聚合物鋰離子電池的骨架材料獲得比PVdF-HFP共聚物更為優(yōu)良的性能。


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