18通信电源技术761^00111？0霣打’1'枕|11|0|0#682002年10月第5期能源技术锂离子电池和锂聚合物电池概述0*061^1 00 11161汕丨皿1~ ！011831^30^ 1池1画沈63^郑如定武汉洲际通信电源集团公司430035武汉识1111811211011)1X61600111？0^61 811^1^ (^(^口’乙10.摘要高比能量、长循环寿命的二次电池是电化学界专家致力研制对象。

当前，安全可靠、有利于环保、高功率密度、体积小、重量轻的新型二次锂电池正被广泛应用。

文中通过对新型 的锂离子电池、锂聚合物电池与铅酸电池、镍镉电池、镍氩电池等比较，突出了其优点；介绍了 新型的貍离子电池、锂聚合物电池的构成、工作原理、电极材料特性及发展前景。

关键词锂离子电池锂聚合物电池电极材料工作原理分类号1财911^5511^01 7116 360011(131^ 1)^1161^ ^1111 3 名如 1)11 0&011(1 ^011^ 011^16 11(6 16 #116 0^601 1636810116|1^6160100―01161010811^0^3^8^8,111600^6111(111111111)81161^“1186(1？01 11 18 88(6 311(11^1181)16^ 60)311 811汾 12名1)1，客00(1 101-6211110111116111 ^016^11011 评I'出乂名如口0界611 ^611311^ ^『101110010^)81180115 1^61^6611 110761 11~10111)31161^，11(11111111只1)31161^如。

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镍镉电池电路简单，充电速度较快I能承载较大电流。

但由于镍镉电池重、储电量小、污染性强，加之具有记忆效应，此类电池正逐步退出 主流市场。

镍氢电池不含有镉金属，分解后对环境的污 染很小，是一种安全可靠、有利于环保的电池。

它的贮能密度比旧式镍镉电池高一倍，比新式镍收稿镉电池高30^~509^，用于移动电话中可使通 话时间延长30亨6。

不过，这种电池和镍镉电池 一样，也有记忆功能，不过没有那么明显。

镍氧电池储电量较大，待机时间长，价格适中，基本上可以满足一般用户的需求。

近年来，重量轻、能量大、自放电率低的二次锂电池在市场出现，备受广大消费者的欢迎。

目前，投人市场的二次锂电池也多为锂离子电池 和裡聚合物电池。

1(液态丨锂离子电池1.1锂离子电池基本原理现在被广泛使用的锂离子电池是由锂电池发 展而来的。

锂离子电池的正极材料是氧化钻锂等，负极材料是碳材。

电池通过正极产生的锂离 子在负极碳材中的嵌人与迁出来实现电池的充放 电过程。

当对电池进行充电时，电池的正极上有 裡离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负 极。

而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微 孔，到达负极的锂离子就嵌人到碳层的微孔中，嵌人的锂离子越多，充电容量越高3同样道理，当对电池进行放电时（即使用电池的过程广嵌 在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。

因到正极的锂离子越多，放电容量越高。

通常所 说的电池容量指的就是放电容量。

在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于 从正极―负极—正极的运动状态。

如果把锂 离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为 电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。

所以，专家们给锂离子电 池~个可爱的名字摇椅式电池110(^1^011311-8811^635简称为1108。

基于其实质为浓差电 池，日本工业称之为电池，而欧洲 工业称之为纟831161-16801.2锂离子电池构成及优点锂离子电池的主要构成：（丨）电池盖；^正极一活性物质为氧化钻锂等；〈3〉隔膜----种特殊的复合膜；负极一活性物质为碳;^有机电解液；巧）电池壳。

锂离子电池的优越性是针对于传统的镉镍电池（^/(^) 和氢锦电池阽只）来讲的，主要体现在以下几个方面：⑴工作电压高⑵比能量大；⑶循环寿命长⑷自放电率低⑶无记忆效应⑷无污染。

1.3锂离子电池的电极材料和电解质⑴正极材料锂钴氧化物。

其理论容量密度为274 目前其实际容量密度约为140111八11/8。

由于其具有生产工艺简单和电化学 性质稳定等优势，所以率先占领市场。

作为锂离子电池正极材料的锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、循环性好的 优点，其结构适合锂离子嵌人和脱出。

在反复的充放电过程中，由于锂离子的反复嵌人与脱出，使活性物质的结构在多次收缩和膨胀后发生改 变，同时导致1^002发生粒间松动而脱落^使 内阻增大，容量减小。

锂镍氧化物。

锂镍氧化物的理论容量密度为 274111^1/8，实际容量密度已达190I I I八11/客~ 210 17^11/80其自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低。

芍1^002相比，1；1^02具有一定的优势。

这是由于钻与镍相比，价格高、储量少。

口见02与1冗00结构相同，取代容易。

锂锰氧化物。

锂锰氧化物理论容量密度为 283实际容量密度在16010八卜/^； ~ 190111入之间。

其突出优点是稳定性好，无污染，工作电压高，成本低廉。

目前应用较多的是尖晶石型1^510204，其具有」维隧道结构，比层间化合物更利于的嵌人与脱出。

1^站11204是最具发展潜力的锂离子电池正极材料，合成方法 有固相法和液相法，作为人九型锂离子电池正 极，可使电池容量密度达400咖从/^,平均工作 电压达3.8 V。

纳米正极材料。

作为锂离子电池用的纳米正 极材料，已有纳米结晶尖晶石1^111204、钡镁锰矿型财1102纳米纤维、聚吡咯包覆尖晶石型 1^111204纳米管、聚吡咯7乂205纳米复合材料，其高空隙率为锂离子的嵌入与脱出和有机溶剂分 子的迁移提供了足够的空间。

目前，国内的研究机构已开发合成了钡镁锰矿型纳米锰氧化物.钡 镁锰矿与水羟锰矿型复合层状纳米锰氧化物。

综上所述，1^0)02在今后仍然有发展潜力。

因为具有良好的电化学性能和3.6 V的工作电压，且目前对1冗002的研究已较为成熟，在短期内仍将是市场的主流产品。

但1^：002与电解液的相容性不理想是需要解决的问题。

另外，由于其价格较贵，加上钻的储量有限，如果在性能价格比上没有突破的话，将有可能逐步被 取代。

1^1；02具有价格和储量上的优势，其实际容量已接近理论容量的70^ ~80^0尽管 1^102有自放电率低，没有环境污染，对电解 液的要求较低等优点，但只有提高其工作电压，并在制备方法上适应工业生产的要求，才具有更好的实用性。

口财0204具有安全性好、无环境污染、工作电压髙、成本低廉的特点，其三维的隧道结构，比层间化合物更利于锂离子的嵌人与脱出，因此是现在和今后一段时间内的主要研究对象。

但111^11204与电解液的相容性不佳，其高温循环寿 命短等是亟待解决的问题。

纳米材料、钒氧化物等新型材料，虽然目前还处于探索阶段，离实用还有相当距离，但它的兴起也为锂离子电池正极材料的发展注人了活 力00负极材料碳粉价格便宜，无毒性，在充放电过程中无 树枝状锂产生’故碳粉适用于嵌人式二次锂电池 的使用。

通常以锂嵌人后的碳取代锂金属作为负极。

电解质电解质的研究开发对锂离子二次电池的性能 和发展是非常重要的。

锂离子二次电池的成本将 主要取决于电解质的成本。

锂离子电池对电解质 溶液的要求是：应有较高的导电性，特别是对负极要有高的锂嵌人量和相容性；有机溶剂的分解 电压要高，以减少自放电和电池内部的气体压 力；使用安全、无污染、价格低廉。

目前锂离子二次电池主要使用的锂盐有：1^10104^ 1认3？6、1；？？6一般将它们溶解于 非质子性的有机溶剂中，如碳酸丙烯酯〔？0、碳酸乙烯酯（枕)、碳酸二甲酯〈0从0、四氢呋喃（丫册、乙二醇二甲醚（抓幻等，为了改善性能常采用混合有机溶剂。

有人认为 0104为强氧化剂，使用不安全，不宜用于电池；虽然性能颇佳，但有毒且价格较贵更不 应使用；匕？『6提纯困难、价格较责，但被认为 是目前较合适的电解质，一般将它溶解入以：和0财0的混合溶剂中，与0姑6的配比以3:7或8:2时溶剂对碳电极的相容性较好，电解质的浓度为1―]/!^。

2锂聚合物电池锂聚合物电池是目前最先进的可充电电池，欧、美、日等各国都大力进行研究和开发。

聚合物锂离子电池主要优点：体积小、重量轻、能量密度高020則160识^!/!^)、自放电小、无记忆效应、安全性能好、可制成任意形 状（这是最为关键的〉。

现有的锂离子充电池由于电解液较多，可燃性高，在安全方面难以保证。

而锂髙分子充电电 池使用多孔性高分子材料为电解质，减少了电解液，不易泄露，因而能够确保其安全性。

该电池的重量能量密度要达到丨30体积能量密度为300双1！71，输出功率密度为400驭八8。

现 有的尺!/姑II充电池的重量密度为60识11/0~ 65双11/4、锂离子充电池为90~ 100奶1赴8。

锂聚合物电池主要由正极、负极与隔离纸等 构成。

目前所开发的锂聚合物电池中，高分子材料主要被应用于正极及电解质。

正极的材料包括 有导电性高分子、有机硫磺系化合物，或一般锂 离子二次电池所采用的无机化合物。

电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解 液；负极则通常采用锂金属或裡碳层间化合物。

锂聚合物电池跟现在市面上的锂离子电池来 比较的话，锂聚合物电池在形状、充放电、信赖性与环境问题等方面都还有相当大的发展空间。

在形状方面，锂聚合物电池具有可薄形化、可任意面积化与可任意形状化等多项优点，因此可以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池。