锂离子电池的诞生及其原理

街头日记 2024-06-26 10:40:51

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1锂离子电池的优势①电压高传统的干电池一般为1.5v而锂原电池则可高达3.9v以上。 ②比能量高，为传统锌负极电池的2～5倍。 ⑧工作温度范闱宽，锂原电池一般能在-40-70度下工作， ④比功率大．可以大电流放电， ⑤放电平稳，大多数锂一次电池具有平稳的放电曲线。⑥储存时间长，预期可达10年。 2锂离子电池的研究因此在锂原电池的推动下，人们几乎在研究锂原电池的同时就开始可充放电锂二次电池的研究。随着人口的日益增加，截至2006年2月25日，全球人口已经达到了65亿，估计到2012年10月18日将达到70亿，而地球资源有限，因此迫使人们提高对资源的利用率，而采用充电电池是有效途径之一，从而推动了锂二次电池的研究和发展。随着人们环保意识的日益增强，铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制，因此需要寻找新的可替代传统铅酸电池和镍镉电池的可充电电池。锂二次电池自然成为有力的候选者之。电子技术的不断发展推动了各种电子产品向小型化发展，如便携电话、微型相机、笔记本电脑等的推广普及，而小型化发展必须伴随着电源的小型化。传统铅酸电池等的容量不高，因此也必须寻找新的电池体系。锂原电他的优点使锂二次电池成为强有力的候选者。 3锂离子电池的成长在20世纪80年代未以前，人们主要集中在阻**及极其合金为负极的锂二次电池体系。但是在充电的时候，由于**电极表现的不均匀（凹凸不平）导数表而电位分布不均匀，从而造成锂不均匀沉积。该不均匀沉积过程导致锂在一些部位沉积过快，产生树枝一样的结晶（枝晶）。当枝晶发展到一定程度时，一方面会发生折断，产生‘死锂”造成小可逆的锂；另一方面更严重的是，枝晶穿过隔膜，将正极与负极连接起来，结果产生短路，生成大量的热，使电池着火，甚至发生**，从而带来严重的安全隐患。其中具有代表性的是20世纪70年代末exxon公司研究的l i//t**2体系。尽管exxon公司未能将该锂二次电池体系实现商品化，但是它大大推动了锂二次电池的研究和发展。后来加拿大成立moli公司该公司的正极材料为mos2．负极为**，尽管该公司初期取得良好的经济教益，但是1989年的起**事件导致该公司破产，后来被日本企业收购。这些公司之所以没有能够取得根本性的市场胜利，是由于没有根本解决以**或其合金为负极的锂二次电池的循环寿命和安全问题，因为①如上所述，在充电过程中，锂的表而水司能非常均匀，因此不可能从根本上解决枝晶的生长问题，从而不能从根本解决安全陷患；②**比较活泼，很容易与非水液体电解质发生反应，产生高压，造成危险。 4锂离子电池逐渐成型 1980年，goodenough等提出以氧化钴锂(licoo2 )为正极材料的锂充电电池，揭开锂离子电池的雏形。1985年发现碳材料可以作为锂充电电池的负极材料，发明了锂离子电池1986年完成了锂离子电池的原形设计，20世纪80年代末、90年代初。moii公司和sony公司发现用具有石墨结构的碳材料取代**负极，正极则采用锂与过渡金属的复合氧化物如氧化钴锂(licoo2)。这样构成的充电电池体系可以成功地解缺以**或其合金为负极的锂二次电池存在的安全隐患，并且在能量密度上高于以前的充放电电池。同时由于**与石墨化碳材料形成的插入化合物( intercalation compound) lic6的电位与**的电位相差小到0.5v。电压损失不大。在充电过程中，锂插入到石墨的层状结构中，放电时从层状结构中跑，该过程可逆性很好，组成的锂二次电池体系循环性能非常优良。另外，碳材料便宜，没有毒性，目处于放电状忐“在空气中比较稳定避免活泼**的使爪和枝晶的产生，明显改善了循环寿命从根本上解决了安全问题。因此在1991年，该一次电池就实现了商品化。 5锂离子电池的命名按照经典的电化学命名规则，充电电池的命名应该是正极在前、负极在后，这样该电池体系应该命名为“氧化钻锂-石墨充电电池”。但是这对于普通老白姓而言，不容易记，因此应该有个简单的名字。由于充放电过程是通过锂离子的移动实玑的，日本人便蚍此为理由，命名为“lithium ion battcrv”，因此我国便将其称为“锂离子电池”。对于该电池体系的命名而言，不应该求全责备，因为单从名字上不可能对其性质有所了解，但是该命名从另外一种意义上反映了知识的原刨性。在**，电池界和普通老百姓更是将“锂离于电池”简称为“锂电”。锂离子电池的充放电原理（以石墨为负极、层状复合氧化物为正极为例）也可以简示如图1-1。 6上市采用过程在正极中(以licooo2为例），li+和co3+各自位于立方紧密堆积氧层中交替的八面体位置，充电时，锂离子从八面体位置发生脱嵌，释放一个电子。co3+氧化为co4+；放电刊，锂离于嵌入到八面体位置，得到个电子。co4+还原为co3+。而在负极中，锂插入到石墨结构中后，石墨结构与此同刚得到一个电子，电子位于石墨的墨片（graphene）分子平面上，与锂离子之间发生一定的静电作用，因此锂在负极中的原子大小比在正极中要大，在多种有关锂离子电池工作原理示意图中，图1-1也可以作为一个比较客观的简单示意图：在“锂离子电池”命名以前，也有人将该种类型的锂二次电池称为‘摇椅电池”认为锂在正极和负极之间来回摆动，事实上，该称呼只是一种形象的说明，而不是真实的反映，因此该称呼在1994年以后就基本上市采用了。 end 20210311

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