电池之都分享:谁是创造锂离子电池的人

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一、天生丽质

锂元素是在1817年被瑞典化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特逊发现,贝齐里乌斯将其命名为锂。到1855的年本生和马奇森选用电解熔化氯化锂的办法才得到金属锂单质,而工业化制锂是在1893年由根莎提出的。现在依然选用电解LiCl制取锂,这个办法要耗费许多的电能,每炼一吨锂就耗电高达六、七万度。


锂在他出世后的100多年中,它首要作为抗痛风药服务于医学界。美国航空航天航空局(NASA)最早认识到,锂电池能作为一种高效的电池。这是由于电池电压是和负极金属活泼性密切相关的。作为十分活泼的碱金属,锂电池能供给较高的电压。比如锂电池可以供给3V的电压,而铅蓄电池只要2.1V,而碳锌电池只要1.5V。根据P=UI,相同电流下,锂电池能输出更高的功率。


作为3号元素,自然界存在的锂由两种安稳的同位素6Li和7Li组成,因而锂的相对原子质量只要6.9。这就意味着在在质量相一起,金属锂比其它活泼金属能供给更多的电子。此外,锂元素还有另外一个优点。锂离子离子半径小,因而锂离子比其他大的离子更容易在电解液中移动,充放电时可以完成正负极间的有用、快速的迁移,从而使整个电化学反响得以进行。


金属锂尽管有许多优点,可是制造锂电池还有许多需求克服的困难。首先,锂是十分活泼的碱金属元素,能和水以及氧气反响,并且常温下它就能与氮气发作反响。这就导致金属锂的保存、运用或是加工都比其他金属要复杂得多,对环境要求十分高。所以,锂电池长时间没有得到运用。跟着科学家的攻关,锂电池的技能障碍一个个打破,锂电池逐渐也登上了舞台,锂电池随之进入了大规模的实用阶段。


二、金属锂电池

在金属锂一次电池的开发中,初期选择传统正极资料,如Ag、Cu、Ni的化合物的电化学功用一向达不到要求,人们不得不寻找新的正极资料。1970年,日本Sanyo公司利用二氧化锰作为正极资料,造出了人类榜首块商品锂电池。1973年松下开始量产正极活性物质为氟化炭资料作正极的锂原电池。1976年,以碘为正极的锂碘原电池面世。上世纪80年代今后,锂的挖掘成本大幅度下降,锂电池开始商业化。


前期金属锂电池属于一次电池,这种电池只能一次性运用、不能充电。锂电池的成功极大地激发了人们继续研制可充电电池的热情,开发锂充电电池的序幕就此摆开。1972年,美国埃克森(Exxon)公司选用二硫化钛作为正极资料,金属锂作为负极资料,开发出世界上榜首个金属锂充电电池。这款可充电锂电池就拥有可深度充放电1000次且每次循环的丢失不超越0.05%的优秀功用。


锂充电电池研讨从前十分深入,但直到今天为止,以金属锂为负极的充电电池依然没有商业化出产。这是由于锂充电电池一向没有处理充电的安全性问题。当锂电池充电时,锂离子在阴极取得电子分出金属锂。在抱负状态,金属锂应该像水(金属锂)倒在地上(电极)上,铺上平平的一层。可是,金属锂在阴极上的沉积,却像在地上长了一棵树相同,构成树枝状的结构。这些树枝状的金属锂通过多次充放电,等树枝长的足够大就能从正极连到了负极,造成电池内部短路,或许引起电池起火或许爆炸。1989年今后大多数企业中止了对锂二次电池的开发。


三、摇椅式电池

为了绕开金属锂分出时产生的树枝状结晶问题,1980年,Armand率先提出了RCB概念。电池南北极不再选用金属锂,而是选用锂的嵌合物。在锂嵌合物中,嵌合物中有三维或许二维空地,金属锂不是以晶体形态存在,而是以锂离子和电子的方式存在于空地中。你可以把锂嵌合物想象成一个汉堡包,嵌合体相当于两片面包,而锂原子(锂离子与电子)便是中心的牛排,能被很轻松地抽出和参加。正因如此,锂离子嵌合物可以替代金属锂,作为电池中锂离子的供给者。由于锂离子放在嵌合物的空地中,枝晶问题就不再严重了。更为重要的是,嵌合物往往对空气等不敏感。因而锂嵌合物大大增加了锂电池的安全性。


榜首个嵌入物质便是咱们再了解不过石墨。大家都知道,石墨具有层状结构,层距离是0.355nm,而锂离子只要0.07nm,所以锂离子很容易插入石墨中,构成组成为C?Li的石墨锂嵌合物。1982年,美国伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性。他们发现,锂离子嵌入石墨的进程不仅快速。在充电时,石墨电极得到电子,并接受Li+离子嵌入,生成石墨-锂化合物,反响式为C?+Li?+eˉ→C?Li。放电时,则发作上述进程的逆反响。


因而,改进后的锂电池可以开释或贮存能量是由于锂离子在两个电极之间重复游走。在充电时,电流将正极嵌合物中的锂离子赶了出来,这些锂离子通过正极与负极之间的电解液“游”到负极嵌合物中;而放电时,锂离子又从负极嵌合物中通过电解液“游”回正极嵌合物中。锂在整个掉落和嵌入的循环进程中,都保持安稳的离子方式,锂离子能在电池南北极的嵌合物或许摇晃,因而又被称为“摇椅式电池”(RockingChairBattery,缩写为RCB)。


四、锂离子电池

石墨价格低廉,结构安稳,是十分抱负的负极资料,那么正极应该选用什么资料呢。1970年,M.S.Whittingham发现锂离子可以在层状资料TiS2可逆的嵌入分出,适合做锂电池正极。1980年,美国物理学教授JohnGoodenough找到了新物质的LiCoO2。这种物质也具有类似石墨的层状结构。1982年,Goodenough就发现了具有三维空地的LiMn2O4,这种结构可以供给三维通道给锂离子移动。1996年Goodenough又发现具有橄榄树结构的LiFePO?,这个物质具有更高的安全性,特别耐高温,耐过充电功用远超越传统锂离子电池资料。


日本索尼公司将钴酸锂(正极资料)和石墨(负极资料)结合,运用含有锂盐(如六氟磷酸锂)的有机溶剂作为电解液,在1990年开发出了全新的可充电锂电池,1992年,该种电池完成商业化。这样的电池,作业电压可达到3.7伏以上,索尼公司在并将该技能重新命名为“Li-ion”。这个标识可以在许多手机电池或许笔记本电池上找到。高功用,低成本,安全性好,这种锂离子电池一经面世立刻受到了欢迎,帮助索尼一跃成为职业老迈。由于锂离子电池中不含有重金属铬,与镍铬电池比较,大大减少了对环境的污染。


一般的电池首要的构造包含有正极、负极与电解质三项要素。锂离子电池下一个重要更新是以高分子资料首要是替代电解质溶液。1973年,Wright等人发现某些聚合物可以较快的传导锂离子。1975年Feullade和Perche又发现PEO,PAN,PVDF等聚合物的碱金属盐配合物具有离子导电性。1978年,法国的Armadnd博士预言这类资料可以用作储能电池的电解质,提出电池用固体电解质的设想。1995年,日本索尼公司创造了聚合物锂电池,电解质是凝胶的聚合物。1999年,聚合物锂离子电池完成商品化。


五、锂电池的未来

1958年,哈里斯(Harris)考虑到锂会与水以及空气发作反响,提出了选用有机电解质作为金属锂电池的电解质。这一设想一向左右了锂离子电池的开展。可是液态电解液存在一定的安全隐患,因而许多科研机构和企业决议另辟蹊径去开发固态电解质技能。全固态电池将原先的液态有机电解池换成一种全新的固态电解质。固态电解质不仅可以保证原有的储电功用,还能避免枝晶问题的产生,并且更安全,更廉价。


锂金属电池则是近几年科学研讨的另一个焦点。这是由于,锂嵌合物尽管处理了树枝状结晶等安全问题,可是由于嵌合物不具有得失电子的功用,因而电池容量大大下降。比如电池的金属锂负极的比容量是石墨锂化合物C6Li负极的11倍以上!假如锂金属充电电池可以研制成功,咱们的电子设备会愈加轻盈,电动汽车则会跑得更远!


目前,锂电池依然存在着一些安全问题,比如部分手机厂商于对隔膜资料质量操控不严或许工艺缺陷,导致隔膜局部变薄,不能有用隔离正极与负极,从而造成了电池的安全问题。其次锂电池在充电进程中很容易发作短路情况。尽管,现在大多数锂离子电池都带有防短路的保护电路,还有防爆线,但许多情况下,这个保护电路在各种情况下不一定会起作用,防爆线能起的作用也很有限。因而,提高锂电池的安全性也是研讨焦点。


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