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聚合物鋰電池和磷酸鐵鋰電池的區別

鉅大LARGE  |  點擊量:5632次  |  2018年05月03日  

摘要
聚合物鋰電池一般指聚合物鋰離子電池,磷酸鐵鋰電池,是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池,本文主要比較兩種鋰電池的區別。

    一、聚合物鋰電池概述

  聚合物鋰電池一般指聚合物鋰離子電池。

  根據鋰離子電池所用電解質材料的不同,鋰離子電池分為液態鋰離子電池(LiquifiedLithium-IonBattery,簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(PolymerLithium-IonBattery,簡稱為PLB)或塑料鋰離子電池(PlasTIcLithiumIonBatteries,簡稱為PLB)。聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的,正極材料分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料,負極為石墨,電池工作原理也基本一致。它們的主要區別在于電解質的不同,液態鋰離子電池使用液體電解質,聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替,這種聚合物可以是“干態”的,也可以是“膠態”的,目前大部分采用聚合物凝膠電解質。

  聚合物鋰電池分類:

  固體:

  固體聚合物電解質鋰離子電池電解質為聚合物與鹽的混合物,這種電池在常溫下的離子電導率高,可在常溫下使用。

  凝膠:

  凝膠聚合物電解質鋰離子電池即在固體聚合物電解質中加入增塑劑等添加劑,從而提高離子導電率,使電池可在常溫下使用。

  聚合物:

  由于用固體電解質代替了液體電解質,與液態鋰離子電池相比,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點,因此可以用鋁塑復合薄膜制造電池外殼,從而可以改善整個電池的比容量;聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料,其質量比能量將會比目前的液態鋰離子電池提高20%以上。聚合物鋰離子(PolymerLithium-IonBattery)電池具有小型化、薄型化、輕量化的特點。因此,聚合物電池在市場占有會逐漸增多。

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  聚合物鋰電池原理:

  鋰離子電池目前有液態鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。其中,液態鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極采用鋰化合物LiCoO2,LiNiO2或LiMn2O4,負極采用鋰—碳層間化合物LixC6,典型的電池體系為:

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  聚合物鋰離子電池的原理與液態鋰相同,主要區別是電解液與液態鋰不同。電池主要的構造包括有正極、負極與電解質三項要素。所謂的聚合物鋰離子電池是說在這三種主要構造中至少有一項或一項以上使用高分子材料做為主要的電池系統。而在目前所開發的聚合物鋰離子電池系統中,高分子材料主要是被應用于正極及電解質。正極材料包括導電高分子聚合物或一般鋰離子電池所采用的無機化合物,電解質則可以使用固態或膠態高分子電解質,或是有機電解液,一般鋰離子技術使用液體或膠體電解液,因此需要堅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計的靈活性,從而可以配合產品需求,做成任何形狀與容量的電池,為設備開發商在電源解決方案上提供了一些設計靈活性和適應性,以最大化地優化其產品性能。同時,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、與環保性能等方面都較鋰離子電池,有一些改善。

  聚合物鋰電池優缺點:

  優點:

  1.單體電池的工作電壓高達3.6v~3.8v遠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,在放置很長時間后其容量損失也很小。

  4.壽命長,正常使用其循環壽命可達到500次以上。

  5.沒有記憶效應,在充電前不必將剩余電量放空,使用方便。

  6.安全性能好

  聚合物鋰電池在結構上采用鋁塑軟包裝,有別于液態電芯的金屬外殼,一旦發生安全隱患,液態電芯容易爆炸,而聚合物電芯最多只會氣鼓。

  7.厚度小,能做得更薄

  超薄,電池能夠組裝進信用卡中。普通液態鋰電采用先定制外殼,后塞正負極材料的方法,厚度做到3.6mm以下存在技術瓶頸,聚合物電芯則不存在這一問題,厚度可做到1mm以下,符合時下手機需求方向。

  8.重量輕

  采用聚合物電解質的電池無需金屬殼來作為保護外包裝。聚合物電池重量較同等容量規格的鋼殼鋰電輕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%,成為彩屏手機及彩信手機的首選,現在市面上新出的彩屏和彩信手機也大多采用聚合物電芯。

  10.內阻小

  聚合物電芯的內阻較一般液態電芯小,目前國產聚合物電芯的內阻甚至可以做到35mΩ以下,極大的減低了電池的自耗電,延長手機的待機時間,完全可以達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品。

  11.形狀可定制

  制造商不用局限于標準外形,能夠經濟地做成合適的大小。聚合物電池可根據客戶的需求增加或減少電芯厚度,開發新的電芯型號,價格便宜,開模周期短,有的甚至可以根據手機形狀量身定做,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,相比液態電解質,膠體電解質具有平穩的放電特性和更高的放電平臺。

  13.保護板設計簡單

  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線路設計可考慮省略PTC和保險絲,從而節約電池成本。

  缺點:

  1.電池成本高,電解質體系提純困難。

  2.需要保護線路控制,過充或者過放都會使電池內部化學物質的可逆性遭到破壞,從而嚴重影響電池的壽命。

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  二、磷酸鐵鋰電池概述

  磷酸鐵鋰電池,是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數鋰離子電池使用的正極材料。

  磷酸鐵鋰電池的空間結構:

  對于LiFePO4的正極材料,其原料來源較為廣泛,循環壽命較長,安全指數也很高,對環境污染較小,在眾多正極材料中體現出非常強的綜合性能,一直是制備鋰離子電池正極的熱點材料,在最近幾年的發展下,LiFePO4型正極材料已經達到實用的水平,甚至開始正規商業化應用,LiFePO4為橄欖石結構,空間結構如圖1所示,其理論比容量為170mAhh,當鋰離子電池進行充電時,會發生氧化反應,鋰離子FeO6層面間釋放出來,流進電解液,最后到達負極,在外電路,電子同時到達負極,鐵會從二價鐵離子變為三價鐵離子,發生氧化反應。放電過程則與充電過程相反,發生的是還原反應。

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  磷酸鐵鋰電池工作原理:

  磷酸鐵鋰電池,是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數鋰離子電池使用的正極材料。

  意義

  金屬交易市場,鈷(Co)最貴,并且存儲量不多,鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜,而鐵(Fe)存儲量較多。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此,采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應是挺便宜的。它的另一個特點是對環境環保無污染。

  作為充電電池的要求是:容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環性能、輸出電壓穩定、能大電流充放電、電化學穩定性能、使用中安全(不會因過充電、過放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯,特別在大放電率放電(5~10C放電)、放電電壓平穩上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環次數)、對環境無污染上,它是最好的,是目前最好的大電流輸出動力電池。

  結構與工作原理

  LiFePO4作為電池的正極,由鋁箔與電池正極連接,中間是聚合物的隔膜,它把正極與負極隔開,但鋰離子Li可以通過而電子e-不能通過,右邊是由碳(石墨)組成的電池負極,由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質,電池由金屬外殼密閉封裝。

  LiFePO4電池在充電時,正極中的鋰離子Li通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子Li通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

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  LiFePO4內部結構

  主要性能

  LiFePO4電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個生產廠家采用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝不同,其性能上會有些差異。例如同一種型號(同一種封裝的標準電池),其電池的容量有較大差別(10%~20%)。

  這里要說明的是,不同工廠生產的磷酸鐵鋰動力電池在各項性能參數上會有一些差別;另外,有一些電池性能未列入,如電池內阻、自放電率、充放電溫度等。

  磷酸鐵鋰動力電池的容量有較大差別,可以分成三類:小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數也有一些差異。

  過放電到零電壓試驗:

  采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件:用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿,然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組:一組存放7天,另一組存放30天;存放到期后再用0.5C充電率充滿,然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別。

  試驗的結果是,零電壓存放7天后電池無泄漏,性能良好,容量為100%;存放30天后,無泄漏、性能良好,容量為98%;存放30天后的電池再做3次充放電循環,容量又恢復到100%。

  這試驗說明該磷酸鐵鋰電池即使出現過放電(甚至到0V),并存放一定時間,電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。

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  三、聚合物鋰電池和磷酸鐵鋰電池

  鋰聚合物電池(Li-polymer)是在鋰離子電池的基礎上以高分子聚合物電解質取代傳統的液態有機電解質而產生的。這種高分子電解質即可以作為傳導離子的媒介,又可以作為隔離膜使用,再加上與金屬鋰的反應性極低,因此有效避免了鋰離子電池的容易燃燒和容易漏液的現象。并且由于鋰離子聚合物電池是將液態有機電解質吸附在一種聚合物基質上,被稱作膠態電解質,這種電解質既不是游離電解質也不是固體電解質,從而使得鋰鋰子聚合物電池不僅具有液態鋰離子電池的優良性能,還可以制成任意形狀和尺寸,超薄型產品,使得其適用范圍廣,發展前景好。另外安全性比鋰離子電池好,使用中如果發熱,只會產生臌脹或者燃燒而不會爆炸。

  磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右,最高也就500次磷酸鐵鋰電池,而磷酸鐵鋰動力電池,循環壽命達到2000次以上,標準充電(5小時率)使用,可達到2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”,最多也就1~1.5年時間,而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用,將達到7~8年。綜合考慮,性能價格比將為鉛酸電池的4倍以上。

  另外聚合物鋰電池(3.7v)重量輕,電壓比磷酸鐵鋰(3.2v)高。耐高溫系數比磷酸鐵鋰要低。

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