智能化進(jìn)程中的充電機(jī)充電鋰離子電池
2017-7-18 10:43:45??????點擊：
電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械和家用電器的普及，以及集成電路的發(fā)展，不僅要求化學(xué)電源體積小，而且還要求能量密度高、密封性和貯存性能好、充電機(jī)蓄電池電壓精度高。因此充電機(jī)充電電池的研究重點轉(zhuǎn)向充電機(jī)充電蓄電池，1988年，充電機(jī)充電鎳鎘電池實現(xiàn)商品化。1992年，充電機(jī)充電鋰離子蓄電池實現(xiàn)商品化。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池是一種充電充電機(jī)充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)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：充充電機(jī)充電電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的充電機(jī)充電電池，是現(xiàn)代高性能充電機(jī)充電電池的代表。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池(Li-ion Batteries)是鋰充電機(jī)充電電池發(fā)展而來。所以在介紹之前，先介紹鋰充電機(jī)充電電池。舉例來講，以前照相機(jī)里用的扣式充電機(jī)充電電池就屬于鋰充電機(jī)充電電池。鋰充電機(jī)充電電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。充電機(jī)充電電池組裝完成后充電機(jī)充電電池即有充電機(jī)蓄電池電壓,不需充電。這種充電機(jī)充電電池也可以充電,但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中,容易形成鋰結(jié)晶，造成充電機(jī)充電電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這種充電機(jī)充電電池是禁止充電的。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池：炭材料鋰充電機(jī)充電電池
后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰充電機(jī)充電電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是充電機(jī)充電鋰離子蓄電池。當(dāng)對充電機(jī)充電電池進(jìn)行充電時，充電機(jī)充電電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)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(dāng)對充電機(jī)充電電池進(jìn)行放電時（即我們使用充電機(jī)充電電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。
目前所說的充電機(jī)充電鋰離子蓄電池通常為鋰二次充電機(jī)充電電池。
1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨這種充電機(jī)充電鋰離子蓄電池，該充電機(jī)充電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(fù)極，克服了鋰二次充電機(jī)充電電池循環(huán)壽命低、安全性差的缺點，充電機(jī)充電鋰離子蓄電池得以商品化。標(biāo)志著充電機(jī)充電電池工業(yè)的一次革命。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池容易與下面兩種充電機(jī)充電電池混淆：
（1）鋰充電機(jī)充電電池：以金屬鋰為負(fù)極。
（2）鋰離子聚合物充電機(jī)充電電池：用聚合物來凝膠化液態(tài)有機(jī)溶劑。或者直接用全固態(tài)聚合物電解質(zhì)。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池一般以石墨類碳材料為負(fù)極。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池特點
與鎳鎘（Ni/Cd）、鎳氫（Ni/MH）充電機(jī)充電電池相比，充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的主要特點如下：
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鎳鎘 電池 |
鎳氫 電池 |
鉛酸 電池 |
鋰離子 電池 |
聚合物鋰離子電池 |
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重量能量密度 （Wh/kg） |
45-80 |
60-120 |
30-50 |
110-160 |
100-130 |
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循環(huán)壽命 （至初始容量80%） |
1500 |
300-500 |
200-300 |
500-2000 |
300-500 |
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單體額定電壓(V) |
1.25 |
1.25 |
2 |
3.6 |
3.6 |
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過充承受能力 |
中等 |
低 |
高 |
非常低 |
低 |
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月自放電率 （室溫） |
20% |
30% |
5% |
10% |
～10% |
1970年代?？松腗.S.Whittingham采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個鋰充電機(jī)充電電池。
1982年伊利諾伊理工大學(xué)(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。與此同時，采用金屬鋰制成的鋰充電機(jī)充電電池，其安全隱患備受關(guān)注，因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電充電機(jī)充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功。
1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的充電機(jī)蓄電池電壓。
1992年索尼公司發(fā)布首個商用充電機(jī)充電鋰離子蓄電池。隨后，充電機(jī)充電鋰離子蓄電池革新了消費電子產(chǎn)品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的充電機(jī)充電電池，至今仍是便攜電子器件的主要電源。
1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鐵鋰(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性，尤其耐高溫，耐過充電性能遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)充電機(jī)充電鋰離子蓄電池材料。因此已成為當(dāng)前主流的大電流放電的動力鋰充電機(jī)充電電池的正極材料。
綜觀充電機(jī)充電電池發(fā)展的歷史，可以看出當(dāng)前世界充電機(jī)充電電池工業(yè)發(fā)展的三個特點，一是綠色環(huán)保充電機(jī)充電電池迅猛發(fā)展，包括鋰離子充電機(jī)充電蓄電池、氫鎳充電機(jī)充電電池等；二是一次充電機(jī)充電電池向充電機(jī)充電蓄電池轉(zhuǎn)化，這符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；三是充電機(jī)充電電池進(jìn)一步向小、輕、薄方向發(fā)展。在商品化的可充充電機(jī)充電電池中，充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的比能量最高，特別是聚合物充電機(jī)充電鋰離子蓄電池，可以實現(xiàn)可充充電機(jī)充電電池的薄形化。正因為充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的體積比能量和質(zhì)量比能量高，可充且無污染，具備當(dāng)前充電機(jī)充電電池工業(yè)發(fā)展的三大特點，因此在發(fā)達(dá)國家中有較快的增長。電信、信息市場的發(fā)展，特別是移動電話和筆記本電腦的大量使用，給充電機(jī)充電鋰離子蓄電池帶來了市場機(jī)遇。而聚合物充電機(jī)充電鋰離子蓄電池以其在加工性能、質(zhì)量、材料價格等方面的獨特優(yōu)勢，將逐步取代液體電解質(zhì)充電機(jī)充電鋰離子蓄電池，而成為充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的主流。聚合物充電機(jī)充電鋰離子蓄電池被譽(yù)為 “21世紀(jì)的充電機(jī)充電電池”，將開辟充電機(jī)充電蓄電池的新時代，發(fā)展前景十分樂觀。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池類型
1、圓柱型充電機(jī)充電鋰離子蓄電池(Cylindrical Li-ionBattery)
圓柱型的外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，通常正負(fù)極與隔膜被繞卷到負(fù)極柱上，再裝入圓柱型鋼殼，然后注入電解液，封口，最后產(chǎn)品得以成型。下圖中還包括正溫度系數(shù)端子（PTC）和安全閥（Safety Vent）等安全部件。
2、方型充電機(jī)充電鋰離子蓄電池（PrismaticLi-ion Battery）
方型充電機(jī)充電鋰離子蓄電池外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，其主要部件與圓柱型充電機(jī)充電鋰離子蓄電池類似，主要也是由正負(fù)極和電解質(zhì)，以及外殼等部件組成。通常電解質(zhì)為液態(tài)時，使用鋼殼；若使用聚合物電解質(zhì)，則可以使用鋁塑包裝材料。
3、紐扣充電機(jī)充電鋰離子蓄電池（Coin Li-ion Battery）
除圓柱型充電機(jī)充電鋰離子蓄電池和方型充電機(jī)充電鋰離子蓄電池外，還有紐扣充電機(jī)充電鋰離子蓄電池（Coin
Li-ion Battery），這種充電機(jī)充電電池結(jié)構(gòu)簡單，通常用于科研測試。
4、薄膜充電機(jī)充電鋰離子蓄電池（ThinFilm Li-ion Battery ）
薄膜充電機(jī)充電鋰離子蓄電池是充電機(jī)充電鋰離子蓄電池發(fā)展的最新領(lǐng)域, 其厚度可達(dá)毫米甚至微米級，常用于銀行防盜跟蹤系統(tǒng)、電子防盜保護(hù)、微型氣體傳感器、微型庫侖計等微型電子設(shè)備。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的主要組成部分
（1）正極——活性物質(zhì)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于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導(dǎo)電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。
（2）隔膜——一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。
（3）負(fù)極——活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。
（4）有機(jī)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）充電機(jī)充電電池外殼——分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱充電機(jī)充電電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有充電機(jī)充電電池的蓋帽，也是充電機(jī)充電電池的正負(fù)極引出端。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的工作原理
當(dāng)對充電機(jī)充電電池進(jìn)行充電時，充電機(jī)充電電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)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(dāng)對充電機(jī)充電電池進(jìn)行放電時（即我們使用充電機(jī)充電電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。
一般鋰充電機(jī)充電電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時充電機(jī)充電電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為充電機(jī)充電電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產(chǎn)生泡沫，反而不滿。
對充電機(jī)充電電池來說，正常使用就是放電的過程。鋰充電機(jī)充電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(dǎo)致充電機(jī)充電電池內(nèi)部發(fā)熱，有可能會造成永久性的損害。在手機(jī)上，這個倒是沒有問題的，可以不考慮。
第二，絕對不能過放電！鋰充電機(jī)充電電池最怕過放電，一旦放電充電機(jī)蓄電池電壓低于2.7V，將可能導(dǎo)致充電機(jī)充電電池報廢。好在手機(jī)充電機(jī)充電電池內(nèi)部都已經(jīng)裝了保護(hù)電路，充電機(jī)蓄電池電壓還沒低到損壞充電機(jī)充電電池的程度，保護(hù)電路就會起作用，停止放電。從圖上可以看出，充電機(jī)充電電池放電電流越大，放電容量越小，充電機(jī)蓄電池電壓下降更快。
作用機(jī)理
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是充電機(jī)充電鋰離子蓄電池。充電機(jī)充電鋰離子蓄電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料充電機(jī)充電電池的總稱。充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的充放電過程，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(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅充電機(jī)充電電池”。
充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的制作工藝
鋰充電機(jī)充電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(dǎo)電劑和粘合劑，涂在鋁箔上形成正極，負(fù)極是層狀石墨加導(dǎo)電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上，至今比較先進(jìn)的負(fù)極層狀石墨顆粒已采用納米碳。
1、制漿：用專門的溶劑和粘結(jié)劑分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)混合，經(jīng)攪拌均勻后，制成漿狀的正負(fù)極物質(zhì)。
2、涂膜：通過自動涂布機(jī)將正負(fù)極漿料分別均勻地涂覆在金屬箔表面，經(jīng)自動烘干后自動剪切制成正負(fù)極極片。
3、裝配：按正極片—隔膜—負(fù)極片—隔膜自上而下的順序經(jīng)卷繞注入電解液、封口、正負(fù)極耳焊接等工藝過程，即完成充電機(jī)充電電池的裝配過程，制成成品充電機(jī)充電電池。
4、化成：將成品充電機(jī)充電電池放置測試柜進(jìn)行充放電測試，篩選出合格的成品充電機(jī)充電電池，待出廠。
聚合物充電機(jī)充電鋰離子蓄電池
作為第三代充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的聚合物鋰電，有什么特點和優(yōu)勢，下面我們來簡單的介紹一下
隨著便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣、市場需求越來越多，鋰充電機(jī)充電電池的需求量也隨之增加?；谌绱藦V闊的市場，世界各大充電機(jī)充電電池公司為了在這個市場領(lǐng)域中取得領(lǐng)先的地位，無不致力于開發(fā)具有更高能量密度、小型化、薄型化、輕量化、高安全性、長循環(huán)壽命與低成本的新型充電機(jī)充電電池。其中，聚合物鋰離子(Lithium ion polymer)充電機(jī)充電電池因為具有上述各項優(yōu)點，更是各家廠商致力研發(fā)的目標(biāo)。聚合物充電機(jī)充電鋰離子蓄電池基于安全、輕薄等特性，符合便攜、移動產(chǎn)品的要求，因此，在未來2～3年內(nèi)，聚合物鋰充電機(jī)充電電池取代充電機(jī)充電鋰離子蓄電池市場的份額將達(dá)50％，被稱為21世紀(jì)移動設(shè)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 聚合物鋰充電機(jī)充電電池在結(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氣鼓。
厚度小，能做得更薄 普通液態(tài)鋰電采用先定制外殼，后塞正負(fù)極村料的方法，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題，厚度可做到1mm以下，符合時下手機(jī)需求方向。
重量輕 聚合物充電機(jī)充電電池重量較同等容量規(guī)格的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼充電機(jī)充電電池輕20%。
容量大 聚合物充電機(jī)充電電池較同等尺寸規(guī)格的鋼殼充電機(jī)充電電池容量高10～15%，較鋁殼充電機(jī)充電電池高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。
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，極大的減低了充電機(jī)充電電池的自耗電，延長手機(jī)的待機(jī)時間，完全可以達(dá)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充電機(jī)充電電池的產(chǎn)品。
形狀可定制 聚合物充電機(jī)充電電池可根據(jù)客戶的需求增加或減少電芯厚度，開發(fā)新的電芯型號，價格便宜，開模周期短，有的甚至可以根據(jù)手機(jī)形狀量身定做，以充分利用充電機(jī)充電電池外殼空間，提升充電機(jī)充電電池容量。
放電特性佳 聚合物充電機(jī)充電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。
保護(hù)板設(shè)計簡單 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，因此聚合物充電機(jī)充電電池的保護(hù)線路設(shè)計可考慮省略PTC和保險絲，從而節(jié)約充電機(jī)充電電池成本。
石墨烯在充電機(jī)充電鋰離子蓄電池電極材料的應(yīng)用
石墨烯是單層的碳原子，以sp2雜化軌道組成的片狀連續(xù)六角型的二維材料。它是已知的世上最薄、最高強(qiáng)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(tài)下的強(qiáng)度約為普通鋼的100倍。在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300W /（m·K），與碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)上限5 800W /（m·K）相當(dāng)，室溫下它的電子遷移率在15 000cm2/（V·s）以上，高于一般的碳納米管并高于硅晶體10倍以上，它的電阻率約為10-6Ω·m，低于銅和銀，為世上電阻率最小的材料，理論比表面積可達(dá)到2 630 m2/g。
石墨烯的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、低電阻率、高強(qiáng)度和硬度，以及易與其他材料合成的雙面開放的結(jié)構(gòu)特性，將有希望大幅度提高現(xiàn)有充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的性能。根據(jù)許多石墨烯充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯在改善充電機(jī)充電鋰離子蓄電池性能方面的潛能。石墨烯與充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的正極材料復(fù)合，可以增加電極材料的比表面積、改善導(dǎo)電率從而提高材料的有效容量。與金屬氧化物復(fù)合可以增加材料的導(dǎo)電率，由于石墨烯本身的結(jié)構(gòu)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(wěn)定性，提高材料的充放電壽命。
現(xiàn)階段，石墨烯本身質(zhì)量難以達(dá)到無缺陷和100%的單層率，導(dǎo)致石墨烯充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的性能，無法到達(dá)預(yù)期的性能。但是在石墨烯制備技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢下，石墨烯質(zhì)量較之前有大幅度提升，我們可以預(yù)期未來的石墨烯充電機(jī)充電電池的性能將有更大幅度的性能提升。
近年來，可穿戴設(shè)備、 無線藍(lán)牙音箱等新興電子產(chǎn)品市場前景可觀。 隨著智能化進(jìn)程，預(yù)計3C鋰充電機(jī)充電電池市場需求將會持續(xù)增長。對于鋰充電機(jī)充電電池企業(yè)來說，應(yīng)把握市場發(fā)展趨勢，充分挖掘新興電子產(chǎn)品市場需求，研發(fā)出高安全、高倍率的3C充電機(jī)充電鋰離子蓄電池。
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