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鋰電池的發展歷史

來源:鉅大LARGE    2018-04-29    點擊量:2097

鋰電池的歷史


    1970年,埃克森的M.S.Whittingham采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成首個鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯,負極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。鋰離子電池(Li-ionBatteries)是鋰電池發展而來。舉例來講,以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。這種電池也可以充電,但循環性能不好,在充放電循環過程中容易形成鋰結晶,造成電池內部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。


  1982年伊利諾伊理工大學(theIllinoisInstituteofTechnology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發現鋰離子具有嵌入石墨的特性,此過程是快速的,并且可逆。與此同時,采用金屬鋰制成的鋰電池,其安全隱患備受關注,因此人們嘗試利用鋰離子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功。


  1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發現錳尖晶石是優良的正極材料,具有低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠低于鈷酸鋰,即使出現短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。


  1989年,A.Manthiram和J.Goodenough發現采用聚合陰離子的正極將產生更高的電壓。


  1992年日本索尼公司發明了以炭材料為負極,以含鋰的化合物作正極的鋰電池,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池,至今仍是便攜電子器件的主要電源。


  1996年Padhi和Goodenough發現具有橄欖石結構的磷酸鹽,如磷酸鐵鋰(LiFePO4),比傳統的正極材料更具安全性,尤其耐高溫,耐過充電性能遠超過傳統鋰離子電池材料。因此已成為當前主流的大電流放電的動力鋰電池的正極材料。


  縱觀電池發展的歷史,可以看出當前世界電池工業發展的三個特點,一是綠色環保電池迅猛發展,包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等;二是一次電池向蓄電池轉化,這符合可持續發展戰略;三是電池進一步向小、輕、薄方向發展。在商品化的可充電池中,鋰離子電池的比能量最高,特別是聚合物鋰離子電池,可以實現可充電池的薄形化。正因為鋰離子電池的體積比能量和質量比能量高,可充且無污染,具備當前電池工業發展的三大特點,因此在發達國家中有較快的增長。電信、信息市場的發展,特別是移動電話和筆記本電腦的大量使用,給鋰離子電池帶來了市場機遇。而鋰離子電池中的聚合物鋰離子電池以其在安全性的獨特優勢,將逐步取代液體電解質鋰離子電池,而成為鋰離子電池的主流。聚合物鋰離子電池被譽為“21世紀的電池”,將開辟蓄電池的新時代,發展前景十分樂觀。


  2015年3月,日本夏普與京都大學的田中功教授聯手成功研發出了使用壽命可達70年之久的鋰離子電池。此次試制出的長壽鋰離子電池,體積為8立方厘米,充放電次數可達2.5萬次。并且夏普方面表示,此長壽鋰離子電池實際充放電1萬次之后,其性能依舊穩定。


  鋰元素是在1817年被瑞典化學家貝齊里烏斯的學生阿爾費特遜發現,貝齊里烏斯將其命名為鋰。到1855的年本生和馬奇森采用電解熔化氯化鋰的方法才得到金屬鋰單質,而工業化制鋰是在1893年由根莎提出的。現在仍然采用電解LiCl制取鋰,這個方法要消耗大量的電能,每煉一噸鋰就耗電高達六、七萬度。


  鋰在他出世后的100多年中,它主要作為抗痛風藥服務于醫學界。美國航空航天航空局(NASA)最早認識到,鋰電池能作為一種高效的電池。這是因為電池電壓是和負極金屬活潑性密切相關的。作為非常活潑的堿金屬,鋰電池能提供較高的電壓。比如鋰電池可以提供3V的電壓,而鉛蓄電池只有2.1V,而碳鋅電池只有1.5V。根據P=UI,相同電流下,鋰電池能輸出更高的功率。


  作為3號元素,自然界存在的鋰由兩種穩定的同位素6Li和7Li組成,因此鋰的相對原子質量只有6.9。這就意味著在在質量相同時,金屬鋰比其它活潑金屬能提供更多的電子。此外,鋰元素還有另外一個優點。鋰離子離子半徑小,因此鋰離子比其他大的離子更容易在電解液中移動,充放電時可以實現正負極間的有效、快速的遷移,從而使整個電化學反應得以進行。


  金屬鋰盡管有很多優點,但是制造鋰電池還有很多需要克服的困難。首先,鋰是非常活潑的堿金屬元素,能和水以及氧氣反應,而且常溫下它就能與氮氣發生反應。這就導致金屬鋰的保存、使用或是加工都比其他金屬要復雜得多,對環境要求非常高。所以,鋰電池長期沒有得到應用。隨著科學家的攻關,鋰電池的技術障礙一個個突破,鋰電池漸漸也登上了舞臺,鋰電池隨之進入了大規模的實用階段。




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