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锂离子电池的历史和发展



  电池是将物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置。1800年,意大利科学家伏打(Volta)将不同的金属与电解液接触,作成Volta堆,这被认为是人类历史上第一套电源装置。从1859年普莱德(Plante)试制成功铅酸蓄电池以后,化学电源便进入了萌芽状态。1868年法国科学家勒克郎谢(Leclanche)研制成功以NH4Cl为电解液的锌—二氧化锰干电池;1895年琼格发明了镉-镍电池;1900年爱迪生(Edison)研制成功铁-镍蓄电池。

  电池是将物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置。1800年,意大利科学家伏打(Volta)将不同的金属与电解液接触,作成Volta堆,这被认为是人类历史上第一套电源装置。从1859年普莱德(Plante)试制成功铅酸蓄电池以后,化学电源便进入了萌芽状态。1868年法国科学家勒克郎谢(Leclanche)研制成功以NH4Cl为电解液的锌—二氧化锰干电池;1895年琼格发明了镉-镍电池;1900年爱迪生(Edison)研制成功铁-镍蓄电池。进入20世纪后,电池理论和技术一度处于停滞状时期,但在二次世界大战之后,随着一些基础研究在理论上取得突破、新型电极材料的开发和各类用电器具日新月异的发展,电池技术又进入了一个快速发展的时期,科学家首先发展了碱性锌锰电池。进入80年代,科学技术发展越发迅速,对化学电源的要求也日益增多、增高。如集成电路的发展,要求化学电源必须小型化;电子器械、医疗器械和家用电器的普及不仅要求化学电源体积小,而且还要求能量密度高、密封性和贮存性能好、电压精度高。因此电池池的研究重点转向蓄电池,1988年,镍镉电池实现商品化。1992年,锂离子电池实现商品化,1999年,聚合物锂离子蓄电池进入市场。h88

  美国航空航天航空局(NASA)及世界上其它一些研究机构是最早从事锂原电池研究的,他们努力的结果使锂原电池在1970年初实现了商品化。这种锂原电池采用金属锂,正极活性物质采用二氧化锰和氟化炭等材料。与传统的原电池相比,这种锂离子电池的放电容量高数倍,而且其电动势在3V以上,可用作特殊需求的长寿命电池或高电压电池。

  上述使用金属锂作活性负极物质的一次锂电池已顺利实现了商品化,但锂离子蓄电池的开发且遇到了非常大的困难,最大的困难是金属锂负极存在很大的问题。这是由于在充电反应中过程中会产生枝晶锂(纤维状结晶),这种现象会导致蓄电池产生两个致命的缺陷,第一个缺陷是对电池特性的影响,那就是以纤维状沉积的金属锂会以100%的效率放电,由此导致电池充放电循环困难,并引起电池的循环寿命和贮存等性能的下降,第二个缺陷就是枝晶通过充放电的循环反复形成,枝晶锂可能穿透隔膜,造成电池内部短路,从而发生爆炸。为了解决这些问题,虽然采用了锂合金来替代金属锂,并改进了电解质,但这些努力的结果仍无法使锂蓄电池实现商品化生产。

  为了克服锂原电池的以上的不足,提高电池的安全可靠性,1980年,Armand率先提出了RCB概念,锂蓄电池负极不再采用金属锂,而是正负极均采用能让锂离子自由脱嵌的活性物质。从此以后,锂电池得到了迅猛的发展。1990年日本的索尼(Sony)公司率先研制成功锂离子电池,它是把锂离子嵌入碳中形成负极,取代传统锂原电池的金属锂或锂合金作负极。1992年,锂离子蓄电池实现商品化,1999年,聚合物锂离子电池实现商品化。

  聚合物锂离子电池是一种全新结构的锂离子电池。聚合物锂离子电池的出现是锂离子电池发展历史上的一个重大突破。聚合物锂离子电池在电池结构和电池制造工艺上都与液态锂离子电池有着根本的区别:首先,这种电池的电解质是以固态或胶体的形式存在的,没有自由液体,因而加工性和可靠性大大提高,不需要金属外壳,可以制成全塑包装,减轻重量。其次,电解质可以同塑料电极叠合,使高能量与长寿命结合起来,并且形状和大小可调,使用范围和销路将大大拓宽,适用的范围大大增加。再者,由于电解液被聚合物中的网络所捕捉,均匀地分散在分子结构中,因而电池的安全性也大大地提高。

  自五十年代以来,我国二次电池工业,从无到有,从弱到强,已形成了比较完备的工业体系,其发展历程大致可分为三个时期,首先是五十年代兴起的铅酸蓄电池。第二个时期是指六十年代开发成功镉镍碱性蓄电池时期,该系列电池由于高功率、高寿命以及良好的低温性能,广泛地应用于航海、通讯、电力、铁路、通讯、电动工具、办工自动化等诸多部门。第三个时期指进入九十年代至今,九十年代初期,中国已有了研制锂电池的初级产品,主要是用于电子计算器上的二氧化锰扣式电池,以及少量的锂、碘和卷边封口的锂、二氧化硫电池,随后又研制出小型碳包式的锂、亚硫氯电池。此外90年代初,中国才开始由自己规模化生产的,可供军方使用的安全可靠的锂电池。到了90年代末期,我国对锂离子电池的研究有了突破性的进展,比亚迪、邦凯和比克等公司都在大规模生产液态锂离子电池,产品的技术水平已达到或超过日本同类电池的水平。而厦门宝龙公司1999年12月自行设计开发了日产1万只聚合物锂离子电池的生产线,这也是世界上形成规模的第三条聚合物锂离子电池生产线。

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  用此制成的稳压电源系列产品具有输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻等优点,被广泛应用于航天及军事电子设备上。但由于那时不能制作出耐压较高、开关速度较快、功率较大的晶体管,限制了电源产品的开关频率、转换速度和效率。

  锂电池的应用广泛,从民用的数码、通信产品到工业设备到特种设备等都在批量使用,不同产品需要不同的电压和容量,因此锂离子电池串联和并联使用情况很多,锂电池通过加装保护电路、外壳、输出而形成的应用电池称为P