鋰離子電池及其制備方法

1、鋰離子電池鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，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(shí)則相反。鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆：（1）鋰電池：存在鋰單質(zhì)。（2）鋰離子聚合物電池：用多聚物取代液態(tài)有機(jī)溶劑。鋰離子電池組成部分：鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列：（1）正極活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，現(xiàn)在又出現(xiàn)了鎳鈷錳酸鋰材料，電動(dòng)自行車則用磷酸鐵鋰，導(dǎo)電集流體使用厚度10-20微米的電解鋁箔（2）隔膜一種特殊的復(fù)合膜，可以讓離子通過，但卻是電子的絕緣體（3）負(fù)極活性物質(zhì)為石墨，或

2、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）電池外殼分為鋼殼（現(xiàn)在方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負(fù)極引出端。作用機(jī)理鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險(xiǎn)性大，很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。鋰離子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，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，

3、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(shí)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“搖椅電池”。工作狀態(tài)和效率鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，好的電池，每月在2%以下（可恢復(fù)）。沒有記憶效應(yīng)。工作溫度范圍寬為-2060。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%，而且輸出功率大。使用壽命長。不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池?；瘜W(xué)解析：和所有化學(xué)電池一樣，鋰離子電池也由三個(gè)部分組成：正極、負(fù)極和電解質(zhì)。電極材料都是鋰離子可以嵌入(

4、插入)/脫嵌(脫插)的。正極正極材料：如上文所述，可選的正極材料很多，目前商業(yè)化產(chǎn)品多采用鈷酸鋰。不同的正極材料對(duì)照正極材料平均輸出電壓能量密度價(jià)格LiCoO23.7 V140 mAh/g23.7-24.2萬/噸LiMn2O43.7 V100 mAh/g4.5-5.5萬元/噸LiFePO43.2 V130 mAh/g12-15萬元/噸Li2FePO4F3.6 V115 mAh/g正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。 充電時(shí)：LiCoO2 Li1-x CoO2 + xLi + xe 放電時(shí)：Li1-x CoO2 + xLi + xe LiCoO2負(fù)極負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦

5、酸鹽可能是更好的材料。 負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫插，充電時(shí)鋰離子插入。 充電時(shí)：xLi + xe + 6C LixC6 放電時(shí)：LixC6 xLi + xe + 6C電解質(zhì)溶液溶質(zhì)：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。 溶劑：由于電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機(jī)溶劑常常在充電時(shí)破壞石墨的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase，SEI)導(dǎo)致電極鈍化。有機(jī)溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題?？沙潆婁?/p>

6、離子電池是目前手機(jī)、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢)。因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。 鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在±1%之內(nèi)，目前各大半導(dǎo)體器件廠已開發(fā)出多種鋰離子電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電?，F(xiàn)在手機(jī)已十分普遍，基本上都是使用鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對(duì)延長電池壽命是十分重要的。它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，并且有由幾個(gè)電池串聯(lián)并聯(lián)在一起組成的電池組。 鋰離子電池的額定電壓，因?yàn)榻瓴牧系淖兓?，一般?.

7、7V，磷酸鐵鋰（以下稱磷鐵）正極的則為3.2V。充滿電時(shí)的終止充電電壓一般是4.2V，磷鐵3.65V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V3.0V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同，一般為3.0V，磷鐵為2.5V)。低于2.5V（磷鐵2.0V）繼續(xù)放電稱為過放，過放對(duì)電池會(huì)有損害。鈷酸鋰類型材料為正極的鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時(shí)會(huì)降低放電時(shí)間(內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)，并可能發(fā)生危險(xiǎn)；但現(xiàn)在研發(fā)的磷酸鐵鋰正極材料鋰電池，可以以20C甚至更大（C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）的大電流進(jìn)行充放電，特別適合電動(dòng)

8、車使用。因此電池生產(chǎn)工廠給出最大放電電流，在使用中應(yīng)小于最大放電電流。 鋰離子電池對(duì)溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍，過壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議，并要求有限流電路以免發(fā)生過流(過熱)。一般常用的充電倍率為0.25C1C。在大電流充電時(shí)往往要檢測(cè)電池溫度，以防止過熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。鋰離子電池充電分為兩個(gè)階段：先恒流充電，到接近終止電壓時(shí)改為恒壓充電。例一種800mAh容量的電池，其終止充電電壓為4.2V。電池以800mA(充電率為1C)恒流充電，開始時(shí)電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí)，改成4

9、.2V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為1/10-50C(各廠設(shè)定值不一，不影響使用)時(shí)，認(rèn)為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到1/10C后啟動(dòng)定時(shí)器，過一定時(shí)間后結(jié)束充電)。 鋰離子電池在充電或放電過程中若發(fā)生過充、過放或過流時(shí)，會(huì)造成電池的損壞或降低使用壽命。鋰離子電池主要優(yōu)點(diǎn)：電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電小、可快速充電。鋰離子電池主要缺點(diǎn)：衰老、不耐受過充、不耐受過放、需多重保護(hù)機(jī)制、排氣孔、隔膜一旦激活，將使電池永久失效。鋰離子電池的新發(fā)展聚合物鋰離子電池聚合物鋰離子電池是在液態(tài)鋰離子電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以導(dǎo)電材料為正極，碳材料為負(fù)極，電解質(zhì)采用固

10、態(tài)或凝膠態(tài)有機(jī)導(dǎo)電膜組成，并采用鋁塑膜做外包裝的最新一代可充鋰離子電池。由于性能的更加穩(wěn)定，因此它也被視為液態(tài)鋰離子電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品。目前很多企業(yè)都在開發(fā)這種新型電池。動(dòng)力鋰離子電池動(dòng)力鋰離子電池：嚴(yán)格來說，動(dòng)力鋰離子電池是指容量在3AH以上的鋰離子電池，目前則泛指能夠通過放電給設(shè)備、器械、模型、車輛等驅(qū)動(dòng)的鋰離子電池，由于使用對(duì)象的不同，電池的容量可能達(dá)不到單位AH的級(jí)別。動(dòng)力鋰離子電池分高容量和高功率兩種類型。高容量電池可用于電動(dòng)工具、自行車、滑板車、礦燈、醫(yī)療器械等；高功率電池主要用于混合動(dòng)力汽車及其它需要大電流充放電的場(chǎng)合。根據(jù)內(nèi)部材料的不同，動(dòng)力鋰離子電池相應(yīng)地分為液態(tài)動(dòng)力鋰離子電

11、池和聚合物理離子動(dòng)力電池兩種，統(tǒng)稱為動(dòng)力鋰離子電池。鈷酸鋰生產(chǎn)技術(shù)：1.高溫固相發(fā)鈷酸鋰傳統(tǒng)生產(chǎn)方法主要是高溫固相反應(yīng)法， 由碳酸鹽或氫氧化物( 如 LiOH·H2O、 Li2CO3 ，CoCO3 ) 在 800960 條件下經(jīng)長時(shí)間煅燒固相反應(yīng)生成。2. 絡(luò)合法將分析純的LiOH·H2O、Co(NO3)2·6 H2O和 E D T A( 乙二胺四乙酸) 按摩爾比 1：1 ：1 溶解在 8 0的蒸餾水中，充分?jǐn)?拌，同時(shí)加入少量的 H2O2 。溶液保持在 6 0條件下緩慢蒸發(fā)溶劑，直至得到紫紅色的固態(tài)前驅(qū)物。 將前驅(qū)化合物干燥，分別在 6 0 0、 7 0 0和 8 0 0 下合成 1 0h制備 LiCoO2粉體。3.共沉淀法用醋酸鋰( CH3COOL i·2H2O) 、醋酸鈷 Co(CHCOO)2·4H2O 為原料， 在草酸 ( H2C2O4·2 H2O ) 的作用下， 溶液中攪拌生成沉淀， 并用氨水調(diào) pH：67 ，干燥后，4 0 0預(yù)熱 1 h ，8 5 0 焙燒 8 h。4.溶膠-凝膠法首先將按一定比例配制的 LiNO3 和CoNO3 混合溶液加入到合成的聚丙烯酸、或檸檬酸中，得到透明的溶膠，然后對(duì)溶膠進(jìn)行減壓脫水，真空干燥和常壓干燥后得到干凝膠前體。將干凝膠首 先在 4