聚合物鋰離子電池原理、特點、應用

許多人叫得比較順口，“鋰聚合物電池”“固態(tài)鋰離子電池”:donno其實真正規(guī)范的法定學名，應該叫成“聚合物鋰離子電池”。更大更大的誤區(qū)，是大家以為鎳鎘、鎳氫、鋰離子、聚合物鋰離子電池是四種不同的種類的電池，其實非常非常的不然，鋰離子電池和聚合物鋰離子電池之間的關系在這里應該得到澄清一下。
　　所謂“聚合物鋰離子電池”，其實是鋰離子電池各種子系列產品中的一種，實際上它的主要部件：正極、負極和電解質以及工作原理都和使用液體電解質的鋰離子電池一樣，只是隔膜和包裝材料不同，因此，歸根到底它實質上，就是一種鋰離子電池！:
　　聚合物鋰離子(Lithium ion polymer)電池，具有更高能量密度、小型化、薄型化、輕量化、高安全性、長循環(huán)壽命與低成本的新型電池。因此，在未來2～3年內，聚合物鋰電池取代鋰離子電池市場的份額將達50％。
　　第一 原理篇
　　鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLIB)兩類。其中，液態(tài)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：
　　(-) C | LiPF6—EC+DEC | LiCoO2 (+)
　　正極反應：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-   ----------- （2．1）
　　負極反應：6C+xLi++xe-=LixC6         ----------- （2．2）
　　電池總反應：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6 ----------- （2．3）
　　聚合物鋰離子電池的原理與液態(tài)鋰相同，主要區(qū)別是電解液與液態(tài)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(tǒng)。而在目前所開發(fā)的聚合物鋰離子電池系統(tǒng)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(tài)或膠態(tài)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。而聚合物鋰離子工藝中沒有多余的電解液，因此它更穩(wěn)定，也不易因電池的過量充電、碰撞或其他損害、以及過量使用而造成危險情況。
　　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，為應用設備開發(fā)商在電源解決方案上提供了高度的設計靈活性和適應性，以最大化地優(yōu)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50%，其容量、充放電特性、安全性、工作溫度范圍、循環(huán)壽命（超過500 次）與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池有大幅度的提高。
　　第二 特點與比較
　　一、聚合物鋰離子電池的特點概述
　　根據鋰離子電池所用電解質材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithium ion battery, 簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡稱為LIP)兩大類。聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質的不同, 鋰離子電池使用的是液體電解質, 而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(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質。
　　聚合物鋰離子電池可分為三類：（1）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低，適于高溫使用。（2）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，從而提高離子電導率，使電池可在常溫下使用。（3）聚合物正極材料的鋰離子電池。采用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。
　　由于用固體電解質代替了液體電解質,與液態(tài)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(yōu)點，也不會產生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個電池的比容量；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(tài)鋰離子電池提高50％以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比鋰離子電池有所提高?；谝陨蟽?yōu)點，聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。
　　二、聚合物電池與液態(tài)鋰電的比較
　　由于各個廠商生產工藝的不同，目前市場上的聚合物鋰電分為卷繞式（索尼、東芝為代表）、疊片式（TCL、ATL為代表）兩種不同結構，但適應于手機需求的規(guī)格大都在4mm厚度以下。與液態(tài)比較，由于聚合物外包裝采用了更薄的鋁膜，比鋼殼、鋁殼更薄，而且生產方式與液態(tài)鋰電不同，聚合物越薄越好生產，理論上可以生產出0.5mm以下厚度的電池。
　　液態(tài)鋰電正好相反，越厚越好生產，低于4mm厚度的電池很難生產，即使生產出來了，容量明顯不如聚合物鋰電，成本也沒優(yōu)勢。因而，電池越薄，聚合物生產成本越低、液態(tài)生產成本越高。
　　但較厚的規(guī)格上，液態(tài)鋰電供應鏈成熟，工藝成熟，生產效率高，成品率高，有很強的制造成本優(yōu)勢。從目前市場來看，5mm、6mm厚度系列的液態(tài)鋰電池雖然比3mm、4mm厚度系列電池容量高很多，但售價要低很多。聚合物從理論上來講，在5mm、6mm厚度規(guī)格上的材料成本與液態(tài)接近，但目前5mm、6mm系列電池的工藝成本要比液態(tài)高出很多，因而，要在此規(guī)格上與液態(tài)真正形成競爭，還有不少距離。
　　一般的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(tǒng)。而在目前所開發(fā)的聚合物鋰離子電池系統(tǒng)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(tài)或膠態(tài)高分子電解質，或是有機電解液，負極則通常采用鋰金屬或鋰碳層間化合物。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，這就增加了重量和成本，另外也限制了尺寸的靈活性。而聚合物鋰離子工藝中沒有多余的電解液，因此它更穩(wěn)定，也不易因電池的過量充電、針刺、碰撞或其他損害、以及過量使用而造成危險情況。
    新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化（最薄0.8毫米）、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，為應用設備開發(fā)商在電源解決方案上提供了高度的設計靈活性和適應性，以最大化地優(yōu)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50%，其容量、充放電特性、安全性、工作溫度范圍、循環(huán)壽命（超過500 次）與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池有大幅度的提高。
　　聚合物鋰離子電池
　　聚合物鋰離子電池和平常電池的差別在電解質上。在20世紀70年代最初的設計中，采用了固態(tài)聚合物電解質。這類電解質類似于塑料薄膜，不能導通電子但是可以讓離子交換（能夠充電的原子或者原子團）。聚合物電解質取代了傳統(tǒng)的浸透電解液的多孔隔膜。干態(tài)聚合物電解質的設計允許組裝簡化，提高電池機械強度，安全，并且能夠制造成為超薄的幾何外形。單個電池的厚度可以薄到1mm。設備設計師能夠根據他們的想象力來自由設計電池的形狀和大小。不幸的是，固態(tài)聚合物鋰離子電池受制于其較差的導電性。內阻太高而無法提供當前通信設備所需要的高脈沖電流，無法驅動筆記本電腦的硬盤。加熱電池到60攝氏度，電導率迅速提高，但是這樣的要求不適合在便攜設備上應用。
　　作為一種折中方式，引入了一些凝膠電解質。目前市場上銷售的大部分手機聚合物鋰離子電池都是包含了凝膠電解質的混和型電池。用鋰離子聚合物來修正這一系統(tǒng)，使之成為目前唯一用于便攜設備的聚合物電源。加入凝膠電解質以后，鋰離子聚合物電池和一般鋰離子電池
　　又有什么不同呢？雖然這兩種電池在性能表現上非常相似，但是鋰離子聚合物作為唯一固態(tài)電解質替代了多孔隔膜。凝膠電解質只是增加了離子電導。聚合物鋰離子電池并沒有像一些分析家預測的那樣流行。它的優(yōu)越性和低制造成本還沒有被認識到。因為其容量并沒有得到提高，實際上，容量比標準鋰離子電池還有輕微減少。聚合物鋰離子電池的市場在超薄幾何形狀電源的應用上，例如信用卡電源等類似的應用。
　　優(yōu)勢：
　　超薄，電池能夠組裝進信用卡中
　　外形靈活：制造商不用局限于標準外形，能夠經濟地做成合適的大小。
　　質量輕：采用聚合物電解質的電池無需金屬殼來作為保護外包裝。
　　改進了安全：過充更穩(wěn)定，電解液泄漏的幾率更低。
　　局限：
　　和鋰離子電池相比能量密度和循環(huán)次數都有下降。
　　制造昂貴。
　　沒有標準外形，大多數電池為高容量消費市場而制造。
　　和鋰離子電池相比，價格、能量比較高