锂电池分类和结构

1、锂电池分类和结构锂电池主要是指在电极材料中使用了锂元素作为主要活 性物质的一类电池，包括锂原电池与锂二次电池。锂原电池 是不能充电重复使用的，二次电池是可以多次充放电使用 的。锂原电池主要有锂锰电池、 锂硫电池、 锂亚硫酰氯电池、 锂硫酰氯电池等。手表、计算器、计算机主板CMOS中用到的3V锂电池，主要是锂锰电池。而通常所说的锂电池，如 手机锂电池，笔记本锂电池，属于锂二次电池。锂二次电池 中最常见，也是应用最广泛的是锂离子二次电池，简称锂离 子电池。由于锂离子电池具备可反复充放电的性质，而且在其工 作过程中碳排放为零，因此在日常生活中，特别是大型储能 设备如车载用电池中得到广泛应用。另外，由

2、于锂离子电池 环保安全及循环使用的特点，在电动工具、电动车、路灯备 用电源、大型电力储能设备以及手机、数码相机、笔记本计 算机等电子产品中得到广泛应用，本文将重点着力于介绍锂 离子电池。锂离子电池在结构上主要有五大块：正极、负极、电解 液、隔膜、外壳与电极引线。电池内部采用螺旋绕制结构， 用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、 负极间间隔而成。正极包括由钴酸锂（或镍钴锰酸锂、锰酸 锂、磷酸亚铁锂等）及铝箔组成的电流收集极。负极由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极组成。电池内充有有机电 解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件（正温度系数热敏电阻），以便电池在不正常状态及输出短路时保

3、护电池不受 损坏。单节锂电池的电压为3.7V （磷酸亚铁锂正极的为3.2V ）。由于电池容量也不可能无限大，因此常常将单节锂 电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。负扱引线负极（碳材料）（一）正极材料1. 钻酸锂（LiCoO2）钻酸锂也是目前应用最为广泛的正极材料，钻产生3.9V的电压平台，对钻酸锂而言，对应于其理论容量，高达 274mAh/g,实际容量可达155mAh/g，具有很高的能量密度。 主要应用于便携电池领域：如手机、PDA移动DVD MP3/MP4和笔记本电脑等。2. 镍酸锂（ LiNiO2 ）在镍酸锂电池中，化学离子对 Ni4+/Ni3+ 可产生 3.75V 的电压平台，提

4、供接近 200mAh/g 的循环容量。但在实际中， 很难得到这个结果。首先在高温下，由于 Li 的挥发，很难合 成化学计量比 LiNiO2 ，高温时六方相的 LiNiO2 晶体很容易 转变为立方相的 LiNiO2 晶体。这种锂镍置换的立方的没有 电化学活性，而且该反应的逆过程很慢并且不完全。此外在 充放电过程中， LiNiO2 还可能发生其他一系列的结构变化， 而导致嵌锂容量的损失。因此实际上镍酸锂无太大实用价 值。3. 镍钴二元复合材料 考虑到钴酸锂价格昂贵，镍酸锂合成困难，研究人员开 发出镍钴二元材料结合了二者的优点，用价格相对低廉的镍 替代部分钴，合成具有 LiCoO2 一样的优良电化学

5、性能的正 极材料，那么将具有广阔的应用前景。4. 尖晶石锰酸锂（ Li2Mn2O4） 尖晶石锰酸锂能够产生 4.0V 的电压平台，与钴酸锂相当，理论容量148mAh/g,实际容量120mAh/g左右，比现在 所用的钴酸锂稍低。与钴酸锂和镍酸锂相比，锰酸锂原料来 源广泛，价格非常便宜（只有钴的 10%），而且没有毒性， 对环境友好。曾一度被认为是替代 LiCoO2 的首选锂离子电 池正极材料。但是尖晶石 Li2Mn2O4容量容易衰减的。5. 磷酸铁锂（ LiFePO4）1997 年， Goodenough 等研究人员首次报道了橄榄石型 的磷酸铁锂 （LiFePO4） 可用于锂离子电池正极材料，其

6、中的 锂离子可以完全从晶格中脱出形成层状FeP04其相对于锂的电极电压为 3.5V ，理论容量为 170mAh/g。6. 材料性能综合评价综上所述， LiCoO2 的研究比较成熟，综合性能优良， 但价格昂贵，容量较低，毒性较大。 LiNiO2 成本较低，容 量较高，但制备困难，材料性能的一致性和重现性差，存在 较为严重的安全问题。镍钴二元复合材料，兼有 LiNiO2 和 LiCoO2 的优点，但仍存在较为苛刻的合成条件，综合性能 有待改进。同时由于含较多昂贵的 Co,成本也较高。尖晶石 Li2Mn2O4 成本低，安全性好，但循环性能尤其是高温循环 性能差，在电解液中有一定的溶解性，储存性能差。

7、因此上 述钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂及其同类正极材料尚不能满足要 求。磷酸铁锂作为锂离子电池的正极材料是近几年才出现的 事，国内开发出大容量磷酸铁锂电池是 2005 年 7月（比亚迪 公司）。其充放循环寿命达2000次，过充电压30V下不燃烧， 穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料类锂离子电池更易串联使 用,以满足电动车频繁充放电的需要。由于同时具有无毒、 无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜,寿命长 等优点,磷酸铁锂可视为是新一代锂离子电池的理想正极材A 3.二左氈沖-甘 卷对比廊电池擁乳电池拝軋池童世此为马（年-1890195619SMJ1952工作屯巫2V1.2V1.2V3.3 3.7V能量

8、密度30WWKgWVVhKjE：Q-80M Kq100-160/Kg3C0次iooo；k500 it1000月就电率4-530-35%-5%记忆绘迪有丸坏儒否是是0.2S VVhO5$7WhU.fc-1$AVh优点技才.丸然1快建克电，A电功审高，褓率面，能量密氏it应.站坯差就龟戒畢低命梏离*妄全啦差（二）负极材料目前，锂离子电池所采用的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳（如焦炭等）、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、PAS锡基氧化物、锡基氧化物、锡合金，以及纳米负极材料等。作为锂离子电池负极材料要求具有以下基本性能：（1）锂离子在负极基体中的插入氧化还原电位尽可能低，接近金属锂的电位

9、，从而使电池的输出电压高；（2）在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱插以得到 高容量密度；（3） 氧化还原电位不会发生显著变化，可保持较平稳的充电和放电;4）插入化合物应有较好的电导率和离子电导率，、亠4A这样可减少极化并能进行大电流充放电；（5）从实用角度而言，主体材料应该便宜，对环境无污 染；碳负极锂离子电池在安全和循环寿命方面显示出较好 的性能，并且碳材料价廉、无毒，目前商品锂离子电池广泛 采用碳负极材料。近年来随着对碳材料研究工作的不断深 入，已经发现通过对石墨和各类碳材料进行表面改性和结构 调整，将比容量从原来的理论值 372mAh/g，大大提高到 700mAh/g1000mAh/g,同时使锂离子电池的比能量大大增 加。目前，已研究开发的锂离子电池负极材料主要有： 石墨、 石油焦、碳纤维、热解炭、中间相沥青基炭微球（MCM）B 、炭黑、玻璃炭等，其中石墨和石油焦最有应用价值。一般来 说，根据石墨化程度，可将碳负极材料分成石墨、软碳和硬 碳。石墨材料导电性好，结晶度较高具有良好的层状结构， 充放电容量可达 300mAh/g 以上，充放电效