聚合物鋰離子電池原理、特點(diǎn)、應(yīng)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(shí)真正規(guī)范的法定學(xué)名，應(yīng)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(lèi)的電池，其實(shí)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(guān)系在這里應(yīng)該得到澄清一下。
　　所謂“聚合物鋰離子電池”，其實(shí)是鋰離子電池各種子系列產(chǎn)品中的一種，實(shí)際上它的主要部件：正極、負(fù)極和電解質(zhì)以及工作原理都和使用液體電解質(zhì)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(shí)質(zhì)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(zhǎng)循環(huán)壽命與低成本的新型電池。因此，在未來(lái)2～3年內(nèi)，聚合物鋰電池取代鋰離子電池市場(chǎng)的份額將達(dá)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(lèi)。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，負(fù)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(yīng)：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-   ----------- （2．1）
　　負(fù)極反應(yīng)：6C+xLi++xe-=LixC6         ----------- （2．2）
　　電池總反應(yīng)：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(gòu)造包括有正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。所謂的聚合物鋰離子電池是說(shuō)在這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)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(kāi)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(yīng)用于正極及電解質(zhì)。正極材料包括導(dǎo)電高分子聚合物或一般鋰離子電池所采用的無(wú)機(jī)化合物，電解質(zhì)則可以使用固態(tài)或膠態(tài)高分子電解質(zhì)，或是有機(jī)電解液，一般鋰離子技術(shù)使用液體或膠體電解液，因此需要堅(jiān)固的二次包裝來(lái)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(méi)有多余的電解液，因此它更穩(wěn)定，也不易因電池的過(guò)量充電、碰撞或其他損害、以及過(guò)量使用而造成危險(xiǎn)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(dá)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(shè)計(jì)的靈活性，從而可以配合產(chǎn)品需求，做成任何形狀與容量的電池，為應(yīng)用設(shè)備開(kāi)發(fā)商在電源解決方案上提供了高度的設(shè)計(jì)靈活性和適應(yīng)性，以最大化地優(yōu)化其產(chǎn)品性能。同時(shí)，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(guò)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(diǎn)與比較
　　一、聚合物鋰離子電池的特點(diǎn)概述
　　根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)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(jiǎn)稱(chēng)為LIB)和聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱(chēng)為LIP)兩大類(lèi)。聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)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(zhì)的不同, 鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì), 而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來(lái)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(zhì)。
　　聚合物鋰離子電池可分為三類(lèi)：（1）固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低，適于高溫使用。（2）凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子電導(dǎo)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(dǎo)電聚合物作為正極材料，其比能量是現(xiàn)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(zhì)代替了液體電解質(zhì),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(diǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問(wèn)題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個(gè)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(zhì)量比能量將會(huì)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。基于以上優(yōu)點(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)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(gè)廠商生產(chǎn)工藝的不同，目前市場(chǎng)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(jié)構(gòu)，但適應(yīng)于手機(jī)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(chǎn)方式與液態(tài)鋰電不同，聚合物越薄越好生產(chǎn)，理論上可以生產(chǎn)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(chǎn)，低于4mm厚度的電池很難生產(chǎn)，即使生產(chǎn)出來(lái)了，容量明顯不如聚合物鋰電，成本也沒(méi)優(yōu)勢(shì)。因而，電池越薄，聚合物生產(chǎn)成本越低、液態(tài)生產(chǎn)成本越高。
　　但較厚的規(guī)格上，液態(tài)鋰電供應(yīng)鏈成熟，工藝成熟，生產(chǎn)效率高，成品率高，有很強(qiáng)的制造成本優(yōu)勢(shì)。從目前市場(chǎng)來(lái)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(jià)要低很多。聚合物從理論上來(lái)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(jìng)爭(zhēng)，還有不少距離。
　　一般的電池主要的構(gòu)造包括有正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。所謂的聚合物鋰離子電池是說(shuō)在這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)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(kāi)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(yīng)用于正極及電解質(zhì)。正極材料包括導(dǎo)電高分子聚合物或一般鋰離子電池所采用的無(wú)機(jī)化合物，電解質(zhì)則可以使用固態(tài)或膠態(tài)高分子電解質(zhì)，或是有機(jī)電解液，負(fù)極則通常采用鋰金屬或鋰碳層間化合物。一般鋰離子技術(shù)使用液體或膠體電解液，因此需要堅(jiān)固的二次包裝來(lái)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(méi)有多余的電解液，因此它更穩(wěn)定，也不易因電池的過(guò)量充電、針刺、碰撞或其他損害、以及過(guò)量使用而造成危險(xiǎn)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(shè)計(jì)的靈活性，從而可以配合產(chǎn)品需求，做成任何形狀與容量的電池，為應(yīng)用設(shè)備開(kāi)發(fā)商在電源解決方案上提供了高度的設(shè)計(jì)靈活性和適應(yīng)性，以最大化地優(yōu)化其產(chǎn)品性能。同時(shí)，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(guò)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(zhì)上。在20世紀(jì)70年代最初的設(shè)計(jì)中，采用了固態(tài)聚合物電解質(zhì)。這類(lèi)電解質(zhì)類(lèi)似于塑料薄膜，不能導(dǎo)通電子但是可以讓離子交換（能夠充電的原子或者原子團(tuán)）。聚合物電解質(zhì)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(zhì)的設(shè)計(jì)允許組裝簡(jiǎn)化，提高電池機(jī)械強(qiáng)度，安全，并且能夠制造成為超薄的幾何外形。單個(gè)電池的厚度可以薄到1mm。設(shè)備設(shè)計(jì)師能夠根據(jù)他們的想象力來(lái)自由設(shè)計(jì)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(dǎo)電性。內(nèi)阻太高而無(wú)法提供當(dāng)前通信設(shè)備所需要的高脈沖電流，無(wú)法驅(qū)動(dòng)筆記本電腦的硬盤(pán)。加熱電池到60攝氏度，電導(dǎo)率迅速提高，但是這樣的要求不適合在便攜設(shè)備上應(yīng)用。
　　作為一種折中方式，引入了一些凝膠電解質(zhì)。目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的大部分手機(jī)聚合物鋰離子電池都是包含了凝膠電解質(zhì)的混和型電池。用鋰離子聚合物來(lái)修正這一系統(tǒng)，使之成為目前唯一用于便攜設(shè)備的聚合物電源。加入凝膠電解質(zhì)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(xiàn)上非常相似，但是鋰離子聚合物作為唯一固態(tài)電解質(zhì)替代了多孔隔膜。凝膠電解質(zhì)只是增加了離子電導(dǎo)。聚合物鋰離子電池并沒(méi)有像一些分析家預(yù)測(cè)的那樣流行。它的優(yōu)越性和低制造成本還沒(méi)有被認(rèn)識(shí)到。因?yàn)槠淙萘坎](méi)有得到提高，實(shí)際上，容量比標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池還有輕微減少。聚合物鋰離子電池的市場(chǎng)在超薄幾何形狀電源的應(yīng)用上，例如信用卡電源等類(lèi)似的應(yīng)用。
　　優(yōu)勢(shì)：
　　超薄，電池能夠組裝進(jìn)信用卡中
　　外形靈活：制造商不用局限于標(biāo)準(zhǔn)外形，能夠經(jīng)濟(jì)地做成合適的大小。
　　質(zhì)量輕：采用聚合物電解質(zhì)的電池?zé)o需金屬殼來(lái)作為保護(hù)外包裝。
　　改進(jìn)了安全：過(guò)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(shù)都有下降。
　　制造昂貴。
　　沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)外形，大多數(shù)電池為高容量消費(fèi)市場(chǎng)而制造。
　　和鋰離子電池相比，價(jià)格、能量比較高