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锂电池的发展进程、发展前景与电池应用

2018/03 百韧锂电池 阅读

  “锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时,M. S. WhitTIngham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。所以,锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展,现在锂电池已经成为了主流。锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。

  锂电池的发展进程:

  1970年,埃克森的M.S.WhitTIngham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。这种电池也可以充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中容易形成锂结晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。1980年,J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

  1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois InsTItute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,此过程是快速的,并且可逆。与此同时,采用金属锂制成的锂电池,其安全隐患备受关注,因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

  1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

  1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

  1992年日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池,至今仍是便携电子器件的主要电源。

  1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸铁锂(LiFePO4),比传统的正极材料更具安全性,尤其耐高温,耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。

  纵观电池发展的历史,可以看出当前世界电池工业发展的三个特点,一是绿色环保电池迅猛发展,包括锂离子蓄电池、氢镍电池等;二是一次电池向蓄电池转化,这符合可持续发展战略;三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。在商品化的可充电池中,锂离子电池的比能量最高,特别是聚合物锂离子电池,可以实现可充电池的薄形化。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量高,可充且无污染,具备当前电池工业发展的三大特点,因此在发达国家中有较快的增长。电信、信息市场的发展,特别是移动电话和笔记本电脑的大量使用,给锂离子电池带来了市场机遇。而锂离子电池中的聚合物锂离子电池以其在安全性的独特优势,将逐步取代液体电解质锂离子电池,而成为锂离子电池的主流。聚合物锂离子电池被誉为 “21世纪的电池”,将开辟蓄电池的新时代,发展前景十分乐观。

  2015年3月,日本夏普与京都大学的田中功教授联手成功研发出了使用寿命可达70年之久的锂离子电池。此次试制出的长寿锂离子电池,体积为8立方厘米,充放电次数可达2.5万次。并且夏普方面表示,此长寿锂离子电池实际充放电1万次之后,其性能依旧稳定。

  锂电池的发展前景:

  为了开发出性能更优异的品种,人们对各种材料进行了研究。从而制阿联酋锂电池公交车(荷兰制造)造出前所未有的产品。比如,锂二氧化硫电池和锂亚硫酰氯电池就非常有特点。它们的正极活性物质同时也是电解液的溶剂。这种结构只有在非水溶液的电化学体系才会出现。所以,锂电池的研究,也促进了非水体系电化学理论的发展。除了使用各种非水溶剂外,人们还进行了聚合物薄膜电池的研究。

  锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统,邮电通讯的不间断电源,以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。

  锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用,预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,并将在侧面人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力。锂电被广泛应用于电动车行业,特别是磷酸铁锂材料电池的出现,更推动了锂电池产业的发展和应用。

  《规划》出台 有望改变世界锂电池格局

  4月18日,国务院讨论通过了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020年)》(下称《规划》),明确了以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向,推广普及非插电式的混合动力汽车,并提出了在2015年纯电动以及混合动力车累计产销量达到50万辆,到2020年超过500万辆的目标。

  《规划》的出台,在坊间引发巨大关注。诸多专家认为,此举将促进汽车业进入新一轮发展期,此外,还在无形中为节能与新能源汽车的核心部件动力电池产业勾勒出一个庞大的市场轮廓。

  《2013-2017年中国锂电池行业产销需求与投资预测分析报告》数据统计,2012年我国新能源汽车、电网储能、特种车、通信基站等领域的成品锂电池组市场规模为35亿元,比2011年的26亿元增长34.6%。其中新能源汽车的应用占比为57%。

  自从2007年苹果公司发布智能手机,随后又推出平板电脑以来,全球便进入了智能化时代,对智能手机和平板电脑的强烈需求快速推动了数码锂电池的销量,其中以手机锂电池销量最大。

  2012年数码锂电池行业产品结构的快速调整,一方面使软包锂电池、圆柱锂电池的销量快速增加,并保持30%以上的增速,另一方面又使铝壳方形锂电池的市场规模迅速萎缩。整个数码锂电池行业正在经历深刻的变化,对投资者而言,能否在变革中把握市场趋势的变化决定了公司未来命运。

  锂电池的应用:

  随着二十世纪微电子技术的发展,小型化的设备日益增多,对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。

  最早得以应用的是锂亚原电池,用于心脏起搏器中。由于锂亚电池的自放电率极低,放电电压十分平缓。使得起搏器植入人体长期使用成为可能。

  锂锰电池一般有高于3.0伏的标称电压,更适合作集成电路电源,广泛用于计算机、计算器、手表中。

  锂离子电池大量应用在手机、笔记本电脑、电动工具、电动车、路灯备用电源、航灯、家用小电器上,可以说是最大的应用群体。

来源:elecfans