锂离子电池的应用与发展介绍

随着信息技术的蓬勃发展，人们需要能量高、体积小、重量轻、安全可靠的电源作为便携式电子产品和电动车辆的动力源。锂离子电池利用氧化还原反应实现了充放电的功能。其凭借高比能量、高电压、充放电次数多等优势，近年来取得了迅猛的发展，正在不断改进和提高我们的生活质量。在最近几年的高考命题中，以锂离子电池作为背景的试题屡见不鲜，其应用和最新发展以及背后隐藏的诸多安全问题需要引起我们广泛的关注！

1.锂离子电池的工作原理

正极材料一般选择LiCoO2，Li2MnO3，LiFePO4等，负极材料多采用石墨。下面以LiFePO4作正极材料为例给出正负极的充放电反应式。正极充电时：

LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-，

正极放电时：

Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4；

负极充电时：

xLi++xe-+6C→LixC6

负极放电时：

LixC6→xLi++xe-+6C

电解质溶质多数采锂盐，而溶剂的通常选择机溶剂。当电池充电时，电池正极材料中的锂离子结合电子部分脱离正极，进入溶液中形成游离的锂离子，随着锂离子浓度的升高，锂离子不断向负极扩散，负极从溶液中结合电子并吸收部分锂离子。为了锂离子能更好地与负极材料结合，通常选用疏松多孔的石墨作为负极，随着科学技术水平的提升，石墨烯等更优质的材料也投入使用中。充电容量由锂离子结合的数量决定，结合的数量越多，其充电电容就越大。放电时锂离子和电子迁移过程与充电时类似，当电池被放电时，锂离子从石墨上跟随电子一同离开，并融入电解液中，负极的材料变为未与锂离子结合的石墨，此时电解液中的游离的锂离子和电子再结合生产锂酸盐，形成完整的锂酸盐。放电容量与返回的锂离子数量呈正相关。

2.锂离子电池的性能

2.1锂离子电池的优点

锂离子电池的正常输出电压在3.7v左右，是镍氢电池的三倍。比能量很高。一般充放电次数可达数百次甚至上千次。室温贮存锂离子的自放电率约为2%，远低于25-30%的镉镍电池和30-35%的镍氢电池。并且充电速度快，工作温度适应性强。具备高功率承受力，这一点无疑对电动汽车的启动加速提供了强大的支持。锂离子电池可以重复使用，减少了材料的消耗，且使用过程中不排放有毒气体和温室气体，也无废渣废料的产生。

2.2锂离子电池的缺点

锂离子电池充电要求很高，要保证终止电压精度在±1%之内。放电时放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害。并且不能过放电，锂电池内部存储电能是靠电化学一种可逆的化学变化实现的，过度的放电会导致这种化学变化有不可逆的反应发生，一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废。

3.锂离子电池在数码产品上的应用

3.1目前我国锂离子电池的应用状况

据中国化工物理电力行业协会介绍，中国目前国内电池产量突破百亿，在世界电池制造商。随着镍镉电池的不断萎缩，以及用户对手机、笔记本电脑、数码相机等电池的需求不断增加。锂离子电池产业化迅速发展。锂离子电池的国内需求将随着笔记本电脑的生产力增长而迅速扩展市场。近年来，笔记本电池每年的国内需求支撑约超过15万，约35％的年均增长。

3.2钴酸锂离子电池与锂聚合物电池的对比

锂离子电池的放电量与温度有关，温度过低时，电池释放的能量大大减少。容量的减少导致电压的降低。当环境温度变得更低，锂离子移动变慢，锂离子从正负极的扩散系数也降低。再加上电解液的电阻，锂就被粘住了。苹果手机中的钴酸锂离子电池在低温条件下掉电很快，甚至出现冬天40%的电量就自动关机的状况。而像华为等一些品牌的手机中采用聚合物锂电池，聚合物锂电池在-10°C~60°C内可以正常放电。工作温度范围的扩大使其对低温环境有了更好的适应性。

4.锂离子电池的安全问题

因锂离子电池化学性质活泼、易燃易爆，需要对其增加多种保护机制，如，保护电路，能够防止过充放电，过热。增加排气孔：在壳体表面画一条线或一个孔，比壳体表面薄一点。电池短路时，会迅速产生大量气体，气体在高压下可以通过防爆孔处排出，从而防止锂离子电池发生爆炸。锂的金属性较活泼，当锂与空气相接触时，金属锂会与氧气以及空气中的水蒸气发生剧烈的化学反应从而引起爆炸。为了提高安全性和电压，本发明和石墨材料的如氧化锂钴的科学家锂原子存储。这些材料形成微小的纳米级储存格，可以用来储存锂原子，使其不会在电池破损的情况下暴露在外。因此，即便电池外壳因外力受损破裂时，空气中的氧气进入电池，但因为氧气分子体积尺寸过大无法与纳米级的储存格中的锂离子接触，更不会与其发生反应，进而阻止了锂离子电池的爆炸。

锂离子电池在特定机制的保护下使它同时获得高的比能量，也能解决安全方面的问题。充电时，电解液中的锂离子通过和负极上的电子结合形成锂原子，并且储存在负极中这一过程消耗了负极上的电荷，使外电路的电流得以流通。为了防止直接触摸正极和负极而造成电池短路，将连同一种隔离纸的具有细胞内的大量的孔，以防止短路。隔膜还可以起到防止电池爆炸等危险事故的发生的作用，用特定材料制成的隔膜纸可以随电池温度调整细孔的开闭，当温度超过某个数值时，细孔会自动闭合，使锂离子不能通过，从而阻止了充电进程，进而避免危险的发生。