吉林凤凰蓄电池代理

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锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。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.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,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。后来，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，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。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。
锂离子电池电池组成部分

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我们动力电池发展当中现在面临着几个问题：

第一，能否构建出新一代的高比能电池。

刚才国家相关的纲要里边都特别提出了能量密度这个指标的概念。

第二，能否解决电池的安全可靠性问题，能否实现电池的长寿命，能否提高电池的性价比。我想这可能是动力电池发展当中的一个面临的问题。

刚才也讲了，三元材料体系可以说是新一代高比能锂电的一个体系。三元和石墨、三元和硅碳，再下一代就是负锂。根据我们的匡算，如果锂离子电池能量密度达到300Wh/kg，如果用硅碳负极，正极的比能量一定要大于250mAh/g，因为在电池设计里面正极决定容量、负极决定寿命。一般是这么一个概念。我们主要在负锂构造优化、纳米尖晶石包覆、仿生膜的设计和研究。这方面我们研究出一种负锂氧化物材料，具有高容量，就是276mAh/g，而且具有比较良好的高倍率性能。这个在国际现在发表的文献当中是没有的，在负锂的高倍率、高容量方面这个数据还是领先的。

在负极方面，我们是做了一个无黏合剂的复合负极材料。大家知道，黏合剂本身是惰性的，想提高能量，我们用了一个直接的涂抹法来合成无需黏合剂的负极材料。

我们还做了聚苯胺包覆的纳米硅材料，能够达到175mAh/g。最近有一个报道，美国的劳伦斯伯克利实验室，在负极里面加了氢，说这个容量可以提高5倍，如果我在这里面能够放入氢的话，这个材料也还有点意思，这里边我们把锂离子电池有没有可能和镍氢电池做一个融合。

锂离子电池的危险性其中一个来源在于电解液。比如说镍氢电池、镍铬电池是碱性的电解液，六氟磷酸锂也是电解液。我们现在也做了叫做泥浆型的电解液。它的性能对于安全性和循环问题性都是很有好处的。我们在三元和硅碳负极材料我们做了电池319，但是它的循环性能现在还不行，安全性也没有考核，所以说锂离子电池单纯的如果要做高比能量，应该是可以做到，但要是做到产业化指标就很难，因为要有各种条件的约束。

从2002年开始，我主持一个国家科技部973的项目，一个二次电池新体系的研究。到2020年，我们提出了多电子的反应机制，就是锂离子电池和镍氢电池都是单电体的反应机制，能不能是大于1的，它是1，我们能不能大于1？就是反应电子数。第二个，在第二期973（2009年）的时候，我们又提出能不能采用氢元素材料。从去年2015年开始，第三期973，我们又提出一个多离子，能不能构筑氢元素、多电子、多离子反应的体系来提高电池的能量密度。这里边主要就是，如何通过多离子效应和相关转化机制，创建新的反应和环境，使惰性的物质成为活性的高容量电极材料。

刚才李泓也讲了，锂硫电池是二电子的体系，它的能量密度是高达2600Wh/kg，TNT是1700Wh/kg。电池做不好就是炸药，在锂硫电池里面，一个是如何提高单质硫的导电性，如何抑制锂枝的产生，这方面我们设计出石墨烯的导电，通过纳米孔隙多元复合等技术有效抑制了飞梭效应，我们也是在正极材料方面进行了一些研究，将氮和硫珊瑚状的碳用于复合材料，提高性能。另外还有聚多巴胺用于电极隔膜的包覆性，抑制效率。单体5Ah的锂硫电池能量密度是406Wh/kg。

我们和北京石油化工研究院也在合作。当时我们和陈院士他们一起做这个事情。他们当时提出，说每年石油化工的附产物硫磺每年1千万吨，如果把硫磺作为锂硫电池的原材料，可以降低锂硫电池的成本。我现在有两个博士生在做这方面的工作，这个可能也是一条途径。

我们还研究了一个三电子的铝离子电池。铝是地球上含量很丰富的元素，理论比容量是2980Wh/kg。我们也是采用原位生长技术制备的无黏合剂三维结构正极，可有效规避由于黏合剂被腐蚀产生的难题。因为我们希望电池低成本，铝也是低成本的，再一个是安全性，刚才好多人也讲了，我就简单说两句。我们在第三期973里面提出了安全边界的识别控制，安全问题不仅源于单体电池内部的失控反应，也取决于电池系统的匹配，电池安全阈值边界的识别，控制与互联网+智能电池，可确保安全性。从电极材料、隔膜、电解液---这个也是不燃的电解液，陶瓷隔膜。

我们还作了一个新型的固态化的电解质材料，我们这个材料使用电导率达到了10-3，这是一个很关键的数，如果达到10-4，在应用方面就有问题，我们希望能达到10的-3。

综合电池的能量密度和安全性来讲，从高比能的二次电池新体系发展路线，从多电子反应到轻元素、多电子反应材料，到新体系的固态化电池，到全固态电池。

（1）电池上下盖
（2）正极——活性物质一般为氧化锂钴
（3）隔膜——一种特殊的复合膜
（4）负极——活性物质为碳
（5）有机电解液
（6）电池壳（分为钢壳和铝壳两种）
锂离子电池优缺点
锂离子电池具有以下优点：
1） 电压高，单体电池的工作电压高达3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍
2） 比能量大，目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400 Wh/L
3） 循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上.对于小电流放电的电器,电池的使用期限 将倍增电器的竞争力.
4） 安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。
5） 自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。
6)　可快速充放电，1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上。
7)　工作温度范围高，工作温度为-25~45°C，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。
锂离子电池也存在着一定的缺点，如：
1） 电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。
2） 不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。
3） 需要保护线路控制。
A、 过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电；
B、 过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。
摘要：综述了锂离子电池的发展趋势，简述了锂离子电池的充放电机理理论研究状况，总结归纳了作为核心技术的锂电池正负电极材料的现有的制备理论和近来发展动态，评述了正极材料和负极材料的各种制备方法和发展前景，重点介绍了目前该领域的问题和改进发展情况。

电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。锂离子电池的机理一般性分析认为,锂离子电池作为一种化学电源，指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。锂离子电池是物理学、材料科学和化学等学科研究的结晶。锂离子电池所涉及的物理机理,目前是以固体物理中嵌入物理来解释的,嵌入（intercalation）是指可移动的客体粒子（分子、原子、离子）可逆地嵌入到具有合适尺寸的主体晶格中的网络空格点上。电子输运锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物。电子只能在正极和负极材料中运动[4][5][6]。已知的嵌入化合物种类繁多，客体粒子可以是分子、原子或离子．在嵌入离子的同时，要求由主体结构作电荷补偿，以维持电中性。电荷补偿可以由主体材料能带结构的改变来实现，电导率在嵌入前后会有变化。锂离子电池电极材料可稳定存在于空气中与其这一特性息息相关。嵌入化合物只有满足结构改变可逆并能以结构弥补电荷变化才能作为锂离子电池电极材料。
控制锂离子电池性能的关键材料——电池中正负极活性材料是这一技术的关键，这是国内外研究人员的共识。

电路结构

工频机与高频机的概念主要是对整流部分而言，工频机是可控整流，传统技术最好可做到12相整流;而高频机的整流是二极管不控整流十IGBT的高频直流升 压环节。对逆变器而言都是IGBT的SPWM高频逆变工作方式(除早期的可控硅逆变工作模式UPS，目前已经淘汰)。另外，工频机的输出变压器必不可少， 由于其整流逆变等环节均为降压环节，因此在输出侧必须有升压变压器作为电压的调整。而高频机由于具有DC/DC升压环节，其输出侧不必要加升压环节(升压 变压器)，对于需要加装隔离变压器的现场，高频机也可按照要求加装隔离变压器选件，其作用也由原来的必要配置转变为可选配置。UPS的电气结构所以发生了 更新变化，主要是由于元器件的发展，IGBT作为UPS的主要功率元件技术更加成熟，无论从容量、结构，还是可靠性上都大大地提高了，加之UPS数字化程 度不断深入促成了新一代大中型UPS的主流结构由原来的工频机转向高频机(正如当年晶闸管逆变器被大功率晶体管GTR取代，之后又被IGBT逆变器取一 样)。UPS电气结构的更新最直接的效果就是UPS主机体积的缩小，质量的减小，而更重要的是电气性能的提高。

早期大中型UPS 主回路结构采用晶闸管整流将输人的交流电整为直流，蓄电池直接配置在直流母线上，当输入市电正常时，靠整流晶闸管的调节对蓄电池充电，同时为GTR或 ICBT结构的桥式逆变器供电，逆变器将直流逆变为交流，最后经过输出变压器的升压及滤没提供纯正的交流输出。从其结构中可以看出，从整流(从交流变为直 流)到逆变(在从直流变为交流)的过程中，每个环节都是降压环节，在此种结构的UPS中，必须在输出侧加入升压变压器，将逆变输出的较低恒定电压升至合理 的输出范围，最终提供了恒定的220V/380V输出。 

目前较为先进的UPS主回路结构采用不控整流加升压环节，将交流输入通过 整流桥全波整流为直流后，采用IGBT元件组成的DC/DC电路升压到一个较高的恒定直流电压，并将其作为直流母线，为蓄电池充电电路及逆变输出部分提供 电能。由于直流母线电压足够高经过IGBT高频逆变调整后，可直接得到恒定的逆变输出电压，完全可以省掉输出升压变压器。

在上述的两种UPS结构中，后者在所有功率环节均采用了IGBT技术，因此此种结构的UPS又为全IGBTUPS。由于数字技术的引入，大大提高了IGBT元件的开关频率，与前者相比，在很多方面具有显著的优势。