聚合物鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)

聚合物鋰電池即聚合物鋰離子電池。

根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料的不同，鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池(Liquified Lithium-Ion Battery，簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(Polymer Lithium-Ion Battery, 簡稱為PLB)。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，正極材料分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料，負(fù)極為石墨，電池工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同， 液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質(zhì)， 聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替， 這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。

1分類

固體

固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低，可在常溫下使用。

凝膠

凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導(dǎo)率，使電池可在常溫下使用。

聚合物

聚合物正極材料的鋰離子電池采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料，其比容量相對增加。由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn)，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以改善整個(gè)電池的比容量;聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰離子電池提高20%以上。聚合物鋰離子(Polymer Lithium-Ion Battery)電池具有小型化、薄型化、輕量化的特點(diǎn)。因此，聚合物電池在市場占有會(huì)逐漸增多。[1]

2特點(diǎn)

聚合物鋰離子電池具有以下特點(diǎn)[2]：

①塑形靈活性;

②更高的質(zhì)量比能量(3倍于MH-Ni電池);

③電化學(xué)穩(wěn)定窗口寬，可達(dá)5V;

④完美的安全可靠性;

⑤更長循環(huán)壽命，容量損失少;

⑥體積利用率高;

⑦廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

3注意事項(xiàng)

一 重視短路情況

聚合物鋰離子電池，在充電過程中很容易發(fā)生短路情況。包括：內(nèi)部短路，外部短路等情況。

雖然，現(xiàn)在大多數(shù)鋰離子電池都帶有防短路的保護(hù)電路，還有防爆線，但很多情況下，這個(gè)保護(hù)電路在各種情況下不一定會(huì)起作用，防爆線能起的作用也很有限。

二 充電不要過充

聚合物鋰離子電池，如果充電時(shí)間過長，發(fā)生膨脹的可能性就會(huì)加大。

鋰的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，很容易燃燒，當(dāng)電池充放電時(shí)，電池內(nèi)部持續(xù)升溫，活化過程中所產(chǎn)生的氣體膨脹，電池內(nèi)壓加大，壓力達(dá)到一定程度，如外殼有傷痕，即會(huì)破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。而聚合物鋰離子電池只會(huì)膨脹。

大家在使用時(shí)候，一定要注意安全。

4原理

鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物L(fēng)iCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，負(fù)極采用鋰—碳層間化合物L(fēng)ixC6，典型的電池體系為：

(-) C | LiPF6—EC+DEC | LiCoO2 (+)

聚合物鋰離子電池

正極反應(yīng)(氧化反應(yīng))：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe- ----------- (2.1)

負(fù)極反應(yīng)(還原反應(yīng))：6C+xLi++xe-=LixC6 ----------- (2.2)

電池總反應(yīng)：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6 ----------- (2.3)

[3]聚合物鋰離子電池的原理與液態(tài)鋰相同，主要區(qū)別是電解液與液態(tài)鋰不同。電池主要的構(gòu)造包括有正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。所謂的聚合物鋰離子電池是說在這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料做為主要的電池系統(tǒng)。而在目前所開發(fā)的聚合物鋰離子電池系統(tǒng)中，高分子材料主要是被應(yīng)用于正極及電解質(zhì)。正極材料包括導(dǎo)電高分子聚合物或一般鋰離子電池所采用的無機(jī)化合物，電解質(zhì)則可以使用固態(tài)或膠態(tài)高分子電解質(zhì)，或是有機(jī)電解液，一般鋰離子技術(shù)使用液體或膠體電解液，因此需要堅(jiān)固的二次包裝來容納可燃的活性成分，這就增加了重量，另外也限制了尺寸的靈活性。

新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化(ATL電池最薄可達(dá)0.5毫米,相于一張卡片的厚度)、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設(shè)計(jì)的靈活性，從而可以配合產(chǎn)品需求，做成任何形狀與容量的電池，為設(shè)備開發(fā)商在電源解決方案上提供了一些設(shè)計(jì)靈活性和適應(yīng)性，以最大化地優(yōu)化其產(chǎn)品性能。同時(shí)，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池，有一些改善。

5展望

目前手機(jī)有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢：

(1) 手機(jī)本身向小型化、薄化方向發(fā)展，以方便消費(fèi)者的攜帶;

(2) 手機(jī)設(shè)計(jì)的個(gè)性化，表現(xiàn)在設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不再是原來方方正正的形狀，不規(guī)則形狀、曲線、弧面設(shè)計(jì)成為手機(jī)設(shè)計(jì)美學(xué)化的主流;[4]

(3) 使用彩屏、手機(jī)功能的不斷增加。為了使手機(jī)小型化，電池減小、減薄是一個(gè)最有效的途徑。4mm以下厚度電池有成為薄型手機(jī)配置的主流趨勢，從性價(jià)比來講，這是聚合物的特長。不規(guī)則形狀、曲線、弧面設(shè)計(jì)造型的手機(jī)給電池留下的有效空間變成了不規(guī)則形狀。液態(tài)的長方型不能有效利用空間，容量較低，而疊片式聚合物可以將這種不規(guī)則空間最有效地利用起來，使容量放大。最近TCL金能公司推出的圓弧型電池、梯形電池、背包電池能使手機(jī)比使用相應(yīng)規(guī)格的液態(tài)電池容量增加20%以上。手機(jī)功能越來越多，導(dǎo)致耗電越來越多。要求電池容量相應(yīng)地增加。在不增加電池厚度的情況下，聚合電池是有明顯優(yōu)勢的。與此相似，筆記本電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、小靈通手機(jī)、移動(dòng)DVD等電器都在向移動(dòng)、便攜化方向發(fā)展，都配上了液晶顯示，而且功能在不斷增多，液晶屏幕在不斷增大。這些都給聚合物鋰離子電池提供了一些機(jī)會(huì)。[5]

聚合物鋰離子電池在全球技術(shù)成熟并商業(yè)化已經(jīng)2年多時(shí)間了，雖然銷量正在快速增長，但其市場份額還在10%左右，和液態(tài)鋰電90%的市場份額無法相比，大大低于人們的預(yù)期。由于各種原因，目前市場上聚合物的價(jià)格普遍要高于液態(tài)鋰電，但是，由于移動(dòng)電器的競爭模式正在悄悄地發(fā)生變化，特別是聚合物電池給移動(dòng)電器帶來的設(shè)計(jì)價(jià)值創(chuàng)新(如4mm厚度以下的優(yōu)越性能、大型規(guī)格電池)，聚合物電池正被越來越多的手機(jī)、移動(dòng)DVD 等設(shè)計(jì)人員所認(rèn)識(shí)，因而聚合物廠商還是信心十足，堅(jiān)信聚合物的時(shí)代一定會(huì)到來。[6]

6優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

1. 單體電池的工作電壓高達(dá)3.6v~3.8v 遠(yuǎn)高于鎳氫和鎳鎘電池的1.2V 電壓。

2. 容量密度大,其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5~2.5 倍,或者更高。

3. 自放電小,在放置很長時(shí)間后其容量損失也很小。

4. 壽命長，正常使用其循環(huán)壽命可達(dá)到500 次以上。

5. 沒有記憶效應(yīng),在充電前不必將剩余電量放空,使用方便。

6.安全性能好

聚合物鋰電池在結(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(huì)氣鼓。

7.厚度小，能做得更薄

超薄，電池能夠組裝進(jìn)信用卡中。普通液態(tài)鋰電采用先定制外殼，后塞正負(fù)極材料的方法，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(shí)下手機(jī)需求方向。

8.重量輕

采用聚合物電解質(zhì)的電池?zé)o需金屬殼來作為保護(hù)外包裝。聚合物電池重量較同等容量規(guī)格的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%。

9.容量大

聚合物電池較同等尺寸規(guī)格的鋼殼電池容量高10～15%，較鋁殼電池高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。

10.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，極大的減低了電池的自耗電，延長手機(jī)的待機(jī)時(shí)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電池的產(chǎn)品。

11.形狀可定制

制造商不用局限于標(biāo)準(zhǔn)外形，能夠經(jīng)濟(jì)地做成合適的大小。聚合物電池可根據(jù)客戶的需求增加或減少電芯厚度，開發(fā)新的電芯型號(hào)，價(jià)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，以充分利用電池外殼空間，提升電池容量。

12.放電特性佳

聚合物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(tái)。

13.保護(hù)板設(shè)計(jì)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，因此聚合物電池的保護(hù)線路設(shè)計(jì)可考慮省略PTC和保險(xiǎn)絲，從而節(jié)約電池成本。[7]

缺點(diǎn)

1. 電池成本高,電解質(zhì)體系提純困難。

2. 需要保護(hù)線路控制，過充或者過放都會(huì)使電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的可逆性遭到破壞，從而嚴(yán)重影響電池的壽命。

7性能研究

對均聚物聚偏氟乙烯(PVdF)、偏氟乙烯與六氟丙烯的二元共聚物(PVdF-HFP)分別作為聚合物鋰離子電池骨架材料的性能進(jìn)行了對比研究。研究結(jié)果表明，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，可使PVdF作為聚合物鋰離子電池的骨架材料獲得比PVdF-HFP共聚物更為優(yōu)良的性能。