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聚合物电池

       锂聚合物电池(Li-polymer,又称高分子锂电池):相对以前的电池,来说、能量高、小型化、轻量化,是一种化学性质的电池。在形状上,锂聚合物电池具有超薄化特征,可以配合一些产品的需要,制作成不同形状与容量的电池。该类电池,理论上的最小厚度可达0.5mm。

1、特点

相对于锂离子电池,锂聚合物电池的特点如下:
1. 相对,改善电池漏液的问题,但并没有彻底改善。
2. 可制成薄型电池:以3.6V250mAh的容量,其厚度可薄至0.5mm。
3. 电池可设计成多种形状。
4. 可制成单颗高电压:液态电解质的电池仅能以数颗电池串联得到高电压,而高分子电池由于本身无液体,可在单颗内做成多层组合来达到高电压。
5. 放电量,理论上高出同样大小的锂离子电池10%。

2、安全问题

所有的锂离子电池,无论是以前的,还是这些年的,包括:聚合物锂离子电池,磷酸铁锂电池等等,都非常害怕电池内部短路、电池外部短路、过充这些情况。
因为,锂的化学性质非常活跃,很容易燃烧,当电池放电、充电时,电池内部会持续升温,活化过程中所产生的气体膨胀,电池内压加大,压力达到一定程度,如外壳有伤痕,即会破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸。
技术人员为了缓解锂离子电池的危险,加入了能抑制锂元素活跃的成份(比如钴、锰、铁等等),但这些并不能从本质上改变锂离子电池的危险性。
普通锂离子电池在过充、短路等情况时候发生时,电池内部可能出现升温、正极材料分解、负极和电解液材料被氧化等现象,进而导致气体膨胀和电池内压加大,当压力达到一定程度后就可能出现爆炸。而聚合物锂离子电池因为使用了胶态电解质,不会因为液体沸腾而产生大量气体,从而杜绝了剧烈爆炸的可能。
目前国内的聚合物电池多数仅仅是软包电池,采用铝塑膜做外壳,但电解液并没有改变。这种电池同样可以薄型化,其低温放电特性比聚合物电池更好,而材料能量密度则与液态锂电池、普通聚合物电池基本一致,但因为使用了铝塑膜,因此比普通液态锂电更轻。安全方面,当液体刚沸腾时软包电池的铝塑膜会自然鼓包或破裂,同样不会爆炸。
须注意的是,新型电池依然可能燃烧或膨胀裂开,安全方面并非万无一失。
所以大家在使用各种锂离子电池时候,一定要注意安全。

3、原理

锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和锂聚合物电池(PLIB)两类。其中,液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO2,LiNiO2或LiMn2O4,负极采用锂—碳层间化合物LixC6,典型的电池体系为:
(-) C | LiPF6—EC+DEC | LiCoO2 (+)
正极反应:LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-
负极反应:6C+xLi++xe-=LixC6
电池总反应:LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6
锂聚合物电池的原理与液态锂相同,主要区别是电解液与液态锂不同。电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。所谓的锂聚合物电池是说在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要的电池系统。而在所开发的锂聚合物电池系统中,高分子材料主要是被应用于正极及电解质。正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物,电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质,或是有机电解液,一般锂离子技术使用液体或胶体电解液,因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分,这就增加了重量,另外也限制了尺寸的灵活性。
新一代的锂聚合物电池在形状上,理论上可做到,形状多样化,提高了电池造型设计的灵活性,从而可以配合产品需求,做成一些形状与容量的电池,为应用设备开发商在电源解决方案上提供了高度的设计灵活性和适应性,以最大化地优化其产品性能。同时,锂聚合物电池的单位能量比一般锂离子电池提高了10%。其容量、循环寿命等方面都较锂离子电池有大幅度的提高。

4、类型

工作原理
锂聚合物电池是采用锉合金做正极,采用高分子导电材料、聚乙炔、聚苯胺或聚对苯酚等做负极,有机溶剂作为电解质。锂聚苯胺电池的比能量可达到350W.h/kg,但比功率只有50-60W/kg,使用温度-40-70度,寿命约330次左右。
构造
由美国3M公司和加拿大Hgdro-Quebec公司共同开发一种固态免维护锂聚合物电池,锂电池的电极用氧化钒(VOx)及石墨制成,电解质为Li(CFSO2)2N。锂聚合物电池的结构比较特殊,是由五层薄膜组成。第一层用金属箔作集电极,第二层为负极,第三层是固体电解质,第四层用锉箔作为正极,第五层为绝缘层,五层叠起来的总厚度为0.lmm。这种锂聚合物电池的工作温度为60-100度,为防止电池瞬间输出大电流时而引起过热,该锂聚合物电池有一个严格的热管理系统,来控制其正常工作温度。这种锂聚合物电池主要的优点是消除了液体电解质,可以避免在电池出现故障时,电解质溢出而造成的污染。
技术性能
1997年,美国3M公司和加拿大Hgdro-伽ebec公司共同开发的锂聚合物蓄电池的技术性能见表7-26.
以上的锂聚合物电池电解质是柔性固体聚合物,金属锉箔密封在电池中,而且在180℃的高温条件下仍然能够正常进行工作。这种锂离子电池的样品经过碰撞试验证明是安全的。多个锂聚合物电池串联时要防止过充电和过放电,锂聚合物电池快速充电性能还需进一步解决。

5、命名方式

锂离子聚合物电池一般采用6-7位数进行命名,分别表示厚/宽/高,如PL6567100表示厚度为6.5mm,宽度为67mm,高度为100mm的锂离子聚合物电池,其中PL表示该电池属聚合物类别。锂离子聚合物电池制作工艺一般采用叠片软包装,所以尺寸改变很灵活方便,型号相对多。

6、电池对比

1、普通锂离子电池
锂离子电池俗称“锂电”,是目前综合性能最好的电池体系。锂离子电池负极是碳素材料,如石墨。正极是含锂的过渡金属氧化物
,如LiMn2O4。
(1)锂离子电池的优点:
①工作电压高,锂离子电池的工作电压在3.7V,是镍镉和镍氢电池工作电压 的三倍。
②比能量高。锂离子电池比能量已达140Wh/kg,是镍镉电池的3倍, 镍氢电池的1.5倍。
③循环寿命长。锂离子电池循环寿命已达1000次以上,在低放电深度下可 达几万次,超过了其他几种二次电池。
④自放电小。锂离子电池月自放电率仅为6-8%,远低于镍镉电池(25~30%)及镍氢电池(30~40%)。
⑤无记忆效应。可以根据要求随时充电,而不会降低电池性能。
⑥对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质,是名副其实的“绿色电池”。
2、锂聚合物电池
锂聚合物电池是更新一代电池,在1999年大批量进入市场。锂聚合物电池
除电解质是固态聚合物、而不是液态电解质外,其余与锂离子电池基本相同。
聚合物电解质材料是由溶体组成的普通薄膜,在溶体中主体聚合物如聚乙烯的氧化物作为不移动的溶剂。锂聚合物电池的优点是
可制成任意形状和比较轻,这是因为它不含重金属和有保持电解质不外泄的塑料壳。它们的性能都较好,理想状态的锂聚合物电池
容量达几千mA⋅h,且更安全。固态电解质像一个密封凝胶,在充电过程中不会轻易自燃解体。
3、两种电池的比较
锂聚合物电池和锂离子电池技术都能代替Ni-Gd电池。但是价格太高,市场还未完全接受,特别是锂聚合物技术。Darnell集团公司的分析家Brush认为:聚合物电池不会永远比锂离子电池贵,生产情况确实贵了许多,这就推动了锂离子电池技术的发展。以前用于笔记本电脑的锂离子电池成本是41.42美元,用于笔记本电脑的聚合物电池成本是60.80美元。
锂聚合物电池在相同体积下比锂电池容量大,且完全没有记忆效应(锂离子电池还是有记忆效应的,只是比较小而已)。
锂聚合物电池其实是一种凝胶状物质,容易做成各种形状。而且不含有害的重金属元素,是“绿色电池”。

7、使用优点

1. 无电池漏液问题,其电池内部不含液态电解液,使用胶态的固体。
2. 可制成薄型电池:以3.6V400mAh的容量,其厚度可薄至0.5mm。
3. 电池可设计成多种形状
4. 电池可弯曲变形:高分子电池最大可弯曲900左右
5. 可制成单颗高电压:液态电解质的电池仅能以数颗电池串联得到高电压,高分子电池由于本身无液体,可在单颗内做成多层组合来达到高电压。
6. 容量将比同样大小的锂离子电池高出一倍

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