鋰聚合物電池

鋰聚合物電池（Li-polymer，又稱高分子鋰電池）：相對以前的電池，來說、能量高、小型化、輕量化，是一種化學性質的電池。

鋰聚合物電池在形狀上，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。該類電池，理論上的最小厚度可達0.5mm。

基本介紹

• 中文名：聚合物鋰電池
• 外文名：Li-polymer
• 別稱：高分子鋰電池
• 厚度：1mm
• 容量：3.7V 250mAh

基本信息

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 套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。

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3.6V250mAh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(Li-polymer,又稱之為高分子鋰離子電池)， 具有比能量高、小型化、超薄化、輕量化和安全性高等多種優 勢。基於這樣的優點，鋰聚合物電池是可製成任何形狀與容量 的電池，進而滿足各種產品的需要；並且它採用鋁塑包裝，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。

安全問題

所有的鋰離子電池，無論是以前的，還是這些年的，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份（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。

目前國內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。

所以大家在使用各種鋰離子電池時候，一定要注意安全。

原理

鋰離子電池目前有液態鋰離子電池(LIB)和鋰聚合物電池(PLIB)兩類。其中，液態鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極採用鋰化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，負極採用鋰—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-

負極反應：6C+xLi++xe-=LixC6

電池總反應：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6

鋰聚合物電池的原理與液態鋰相同，主要區別是電解液與液態鋰不同。電池主要的構造包括有正極、負極與電解質三項要素。所謂的鋰聚合物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。而在所開發的鋰聚合物電池系統中，高分子材料主要是被套用於正極及電解質。正極材料包括導電高分子聚合物或一般鋰離子電池所採用的無機化合物，電解質則可以使用固態或膠態高分子電解質，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。

新一代的鋰聚合物電池在形狀上，理論上可做到，形狀多樣化，提高了電池造型設計的靈活性，從而可以配合產品需求，做成一些形狀與容量的電池，為套用設備開發商在電源解決方案上提供了高度的設計靈活性和適應性，以最大化地最佳化其產品性能。同時，鋰聚合物電池的單位能量比一般鋰離子電池提高了10%。其容量、循環壽命等方面都較鋰離子電池有大幅度的提高。

構造

由美國3M公司和加拿大Hgdro-Quebec公司共同開發一種固態免維護鋰聚合物電池，鋰電池的電極用氧化釩(VOx)及石墨製成，電解質為Li(CFSO2)2N。鋰聚合物電池的結構比較特殊，是由五層薄膜組成。第一層用金屬箔作集電極，第二層為負極，第三層是固體電解質，第四層用銼箔作為正極，第五層為絕緣層，五層疊起來的總厚度為0.lmm。這種鋰聚合物電池的工作溫度為60-100度，為防止電池瞬間輸出大電流時而引起過熱，該鋰聚合物電池有一個嚴格的熱管理系統，來控制其正常工作溫度。這種鋰聚合物電池主要的優點是消除了液體電解質，可以避免在電池出現故障時，電解質溢出而造成的污染。

技術性能

1997年，美國3M公司和加拿大Hgdro-伽ebec公司共同開發的鋰聚合物蓄電池的技術性能見表7-26.

以上的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[11]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。

命名方式

鋰離子聚合物電池一般採用6-7位數進行命名，分別表示厚/寬/高，如PL6567100表示厚度為6.5mm，寬度為67mm，高度為100mm的鋰離子聚合物電池，其中PL表示該電池屬聚合物類別。鋰離子聚合物電池製作工藝一般採用疊片軟包裝，所以尺寸改變很靈活方便，型號相對多。

電池對比

1、普通鋰離子電池

鋰離子電池俗稱“鋰電”，是目前綜合性能最好的電池體系。鋰離子電池負極是碳素材料，如石墨。正極是含鋰的過渡金屬氧化物

，如LiMn2O4。

（1）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

鋰聚合物電池是更新一代電池，在1999年大批量進入市場。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。

聚合物電解質材料是由溶體組成的普通薄膜，在溶體中主體聚合物如聚乙烯的氧化物作為不移動的溶劑。鋰聚合物電池的優點是

可製成任意形狀和比較輕，這是因為它不含重金屬和有保持電解質不外泄的塑膠殼。它們的性能都較好，理想狀態的鋰聚合物電池

容量達幾千mA⋅h，且更安全。固態電解質像一個密封凝膠，在充電過程中不會輕易自燃解體。

3、兩種電池的比較

鋰聚合物電池和鋰離子電池技術都能代替Ni-Gd電池。但是價格太高，市場還未完全接受，特別是鋰聚合物技術。Darnell集團公司的分析家Brush認為：聚合物電池不會永遠比鋰離子電池貴，生產情況確實貴了許多，這就推動了鋰離子電池技術的發展。以前用於筆記本電腦的鋰離子電池成本是41.42美元，用於筆記本電腦的聚合物電池成本是60.80美元。

鋰聚合物電池在相同體積下比鋰電池容量大，且完全沒有記憶效應（鋰離子電池還是有記憶效應的，只是比較小而已）。

鋰聚合物電池其實是一種凝膠狀物質，容易做成各種形狀。而且不含有害的重金屬元素，是“綠色電池”。

使用優點

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

產業化現狀

鋰聚合物電池國外的產業化現狀

鋰離子電池早在1992年開始就已經商業化，而鋰聚合物電池在七年後才投入商業化，儘管如此，Sony自1999年商業化生產以來，液態鋰離子電池的發展一直落後於鋰聚合物電池的發展速度，在2002年，鋰離子電池的市場份額的7%已經被鋰聚合物電池占領，至2005年大概占到了9.3%的市場份額，到2010年已經上升到了30%左右。

鋰聚合物電池是目前相當先進的可充電電池，歐、美、日等各國都加大研究力度和開發進程。像日本Sony能源技術與Moli電池部在1991年聯合開發了一種以聚糖醇熱解碳(PFA)為負極的鋰聚合物電池。1993年，美國Bellcore(貝爾電訊)首先報導了採用PVDF[14]凝膠電解質製造成的鋰聚合物電池(PLIB)。1996年，美國Bellcore宣布了一套相對完備的鋰聚合物電池的規模化生產技術。隨後日本的索尼、松下等幾大宣布將聯合生產鋰聚合物電池。日本人將1999年定為鋰聚合物電池的元年，鋰聚合物電池已在實際中得到了套用。

由於鋰聚合物電池使鋰二次電池安全性和循環性能都得到保障，並且具有比能量高、工作溫度範圍寬、工作電壓平穩、貯存壽命長等優點，被譽為“最有前途的化學電源”。目前蘋果全系列產品均採用鋰聚合物電池,iPad用的大聚合物電芯主要由ATL、力神、SDI、Sony、LGC共同提供。另外,豐田、日產等日系車企也在大力研發聚合物鋰電池,用以匹配普銳斯和LEAF等新能源汽車。這類新型高能電池也會在Mac-Book和MacBookPro的未來新產品中採用。儘管鋰聚合物電池的成本較鋰離子電池高出許多，僅在高檔手機和筆記本電腦採用，但事實上，車用鋰聚合物電池也已開始發展。

根據鋰聚合物電池優點：目前許多廠商都已推出商品化的鋰聚合物充電電池。其中包括日本的日立、Maxell,、Yuasa、Toshiba、美國的Ultralife,、Moltech和加拿大的Electrofuel等多家，而所關注的焦點都是在於其超薄的特性。一般而言，2～4mm作為鋰聚合物電池的厚度，較目前最小厚度的鋰離子電池則可至少降低一半左右，因此也給廠商在設計產品時提供相當大的可自由發揮的空間。

鋰聚合物電池國內的產業化現狀

當前國內許多科研單位在鋰聚合物電池方面做了大量的研製工作，並在聚合物電解質的製備，電池成型工藝等方面取得了一定的成果。在新能源汽車領域，中國企業已經和國際汽車巨頭站在了同一起跑線上，奇瑞、吉利、長城、上汽，比亞迪等國內主要汽車生產商，現在已經將新能源汽車尤其電動車的研發作為其自身的核心競爭力。為實現節能、低污染、零排放我國在“十五”期間的“863”計畫中也將電動車的發展列為重大專項給子重點扶持。現在中國還急需要大容量鋰聚合物電池生產商大量生產電動車用鋰聚合物電池，以滿足巨大的市場需求。

前景

鋰聚合物電池儘管銷量在迅速增長，但是其市場份額仍比較低，與液態鋰電池市場份額差距極大。雖然目前市場上聚合物電池要普遍高於液態鋰電池的價格，但是也必須認識到，移動電器的競爭模式正在慢慢地發生著轉變，鋰聚合物電池正被越來越多的手機、移動DVD等設計人員所認可，因而聚合物廠商堅信聚合物的時代必將來到。根據目前手機自身向著小型化、超薄化方向發展、手機設計的個性化、藝術化、使用彩屏和手機功能的日益增多等方面的發展，也從側面映射出鋰聚合物電池的發展趨勢。

事實上，筆記本電腦、藍牙耳機、小靈通手機、移動DVD等電器都在朝著小型化、便攜化方向發展，功能的不斷增多，液晶螢幕的不斷增大，這都給鋰聚合物電池提供了無限的發展空間和不可限量的商機。隨著經濟的發展，我國汽車的數量也迅猛增長。從保護環境和節約能源出發，開發新能源的電動車輛己經勢在必行了。我國早在“十五”期間，電動汽車就被列入“863”重點項目，在發展日新月異的今天，我國將新能源汽車被列入“十二五”規劃建議中的戰略性新興產業，並將積極支持和推動電動汽車重要標準的制(修)訂工作，為我國電動汽車建立起相對完整的標準體系而努力，以全面支撐和加快未來的發展需要。預計“十二五”末，我國將成為全球電動汽車擁有量第一的國家。

全球已開發國家已經制定了相關的政策來推動電動汽車的發展，確立電動汽車是實現能源安全和低碳經濟的重要途徑之一。美國提出了到2015年普及100萬輛插電式電動汽車；日本把發展電動汽車放在核心位置，在2020年將推廣以電動汽車為主體的“下一代汽車”，計畫數量達到1350萬輛；2009年8月，德國政府發布了以純電動車和插電式電動車為重點的《國家電動汽車發展計畫》，在2020年前實現普及至少100萬輛純電驅動汽車。