什麼是鋰聚合物電池?
鋰聚合物電池,(Li-polymer,又稱之為高分子鋰離子電池),是一種化學性質的電池。相對以前的電池來說,具有能量高、小型化、輕量化的特點。鋰聚合物電池具有超薄化特徵,可以配合一些產品的需要,製作成不同形狀與容量的電池,理論上的最小厚度可達0.5mm。
一般的電池的三要素:正極、負極與電解質。所謂的鋰聚合物電池是指在三要素中至少有一個或一個以上採用高分子材料的電池系統。在鋰聚合物電池系統中,高分子材料大多數被用在了正極和電解質上。正極材料使用的是導電高分子聚合物或一般鋰離子電池所使用的無機化合物,負極常應用鋰金屬或鋰碳層間化合物,電解質是採用固態或者膠態高分子電解質,或者有機電解液。由於鋰聚合物中沒有多餘的電解液,因此它更可靠更穩定。
鋰聚合物電池的特點
鋰聚合物電池是採用銼合金做正極,採用高分子導電材料、聚乙炔、聚苯胺或聚對苯酚等做負極,有機溶劑作為電解質。鋰聚苯胺電池的比能量可達到350W.h/kg,但比功率只有50-60W/kg,使用溫度-40-70度,壽命約330次左右。
相對於鋰離子電池,鋰聚合物電池的特點如下:
1. 相對,改善電池漏液的問題,但並沒有徹底改善。
2. 可製成薄型電池:以3.6V 250mAh的容量,其厚度可薄至0.5mm。
3. 電池可設計成多種形狀。
4. 可製成單顆高電壓:液態電解質的電池僅能以數顆電池串聯得到高電壓,而高分子電池由於本身無液體,可在單顆內做成多層組合來達到高電壓。
5. 放電量,理論上高出同樣大小的鋰離子電池10%。
鋰聚合物電池採用鋁塑包裝,內部出現問題可立即通過外包裝表現出來,即便存在安全隱患,也不會爆炸,只會鼓脹。在聚合物電池中,電解質起著隔膜和電解液的雙重功能:一方面像隔膜一樣隔離開正負極材料,使電池內部不發生自放電及短路,另一方面又像電解液一樣在正負極之間傳導鋰離子。聚合物電解質不僅具有良好的導電性,而且還具備高分子材料所特有的質量輕、彈性好、易成膜等特性,也順應了化學電源質量輕、安全、高效、環保的發展趨勢。
鋰聚合物電池的安全問題
所有的鋰離子電池,無論是以前的,還是現在的,包括聚合物鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池等等,都非常害怕電池內部短路、電池外部短路、過充這些情況。因為,鋰的化學性質非常活躍,很容易燃燒,當電池放電、充電時,電池內部會持續升溫,活化過程中所產生的氣體膨脹,電池內壓加大,壓力達到一定程度,如外殼有傷痕,即會破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸。
技術人員為了緩解鋰離子電池的危險,加入了能抑制鋰元素活躍的成分(比如鈷、錳、鐵等等),但這些並不能從本質上改變鋰離子電池的危險性。
普通鋰離子電池在過充、短路等情況時候發生時,電池內部可能出現升溫、正極材料分解、負極和電解液材料被氧化等現象,進而導致氣體膨脹和電池內壓加大,當壓力達到一定程度後就可能出現爆炸。而聚合物鋰離子電池因為使用了膠態電解質,不會因為液體沸騰而產生大量氣體,從而杜絕了劇烈爆炸的可能。
目前市面上的聚合物電池多數僅僅是軟包電池,採用鋁塑膜做外殼,但電解液並沒有改變。這種電池同樣可以薄型化,其低溫放電特性比聚合物電池更好,而材料能量密度則與液態鋰電池、普通聚合物電池基本一致,但因為使用了鋁塑膜,因此比普通液態鋰電更輕。安全方面,當液體剛沸騰時軟包電池的鋁塑膜會自然鼓包或破裂,同樣不會爆炸。
須注意的是,新型電池依然可能燃燒或膨脹裂開,安全方面並非萬無一失。
鋰聚合物電池的技術性能
鋰聚合物電池電解質是柔性固體聚合物,金屬銼箔密封在電池中,而且在180℃的高溫條件下仍然能夠正常進行工作。這種鋰離子電池的樣品經過碰撞試驗證明是安全的。多個鋰聚合物電池串聯時要防止過充電和過放電,鋰聚合物電池快速充電性能還需進一步解決。
鋰聚合物電池按電解質可分為三類:(1)凝膠聚合物電解質鋰離子電池,它是在固體聚合物電解質中加入添加劑提高離子電導率,使電池可在常溫下使用;(2)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,在常溫下的離子電導率低,適於高溫使用;(3)複合凝膠聚合物正極材料的鋰離子電池,導電聚合物作為正極材料,其比能量是現有鋰離子電池的3倍,是最新一代的鋰離子電池。
普通鋰離子電池電池與鋰聚合物電池的對比
(1)普通鋰離子電池的優點:
①工作電壓高,鋰離子電池的工作電壓在3.7V,是鎳鎘和鎳氫電池工作電壓的三倍。
②比能量高。鋰離子電池比能量已達140Wh/kg,是鎳鎘電池的3倍,鎳氫電池的1.5倍。
③循環壽命長。鋰離子電池循環壽命已達1000次以上,在低放電深度下可達幾萬次,超過了其他幾種二次電池
。
④自放電小。鋰離子電池月自放電率僅為6%~8%,遠低於鎳鎘電池(25%~30%)及鎳氫電池(30%~40%)。
⑤無記憶效應。可以根據要求隨時充電,而不會降低電池性能。
⑥對環境無污染。鋰離子電池中不存在有害物質,是名副其實的“綠色電池”。
(2)鋰聚合物電池的優點
鋰聚合物電池是更新一代電池,鋰聚合物電池除電解質是固態聚合物、而不是液態電解質外,其餘與鋰離子電池基本相同。
1. 無電池漏液問題,其電池內部不含液態電解液,使用膠態的固體。
2. 可製成薄型電池:以3.6V400mAh的容量,其厚度可薄至0.5mm。
3. 電池可設計成多種形狀。
4. 電池可彎曲變形:高分子電池最大可彎曲90度左右。
5. 可製成單顆高電壓:液態電解質的電池僅能以數顆電池串聯得到高電壓,高分子電池由於本身無液體,可在單顆內做成多層組合來達到高電壓。
6. 容量將比同樣大小的鋰離子電池高出一倍。