聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的,那么它们的主要区别在于什么?
根据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的,电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池可分为三类:
(1)固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物,这种电池在常温下的离子电导率低,适于高温使用。
(2)凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂,从而提高离子电导率,使电池可在常温下使 用。
(3)聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料,其比能量是现有锂离子电池的3倍,是最新一代的锂离子电池。由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂离子电池相比,聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点,也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题,因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳,从而可以提高整个电池的比容量;聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料,其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50%以上。此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。基于以上优点,聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。
聚合物锂离子的发展趋势展望
聚合物锂离子电池在全球技术成熟并商业化已经2年多时间了,虽然销量在快速增长,但其市场份额尚低于10%,与液态锂电90%的市场份额无法相比,大大低于人们的预期。由于各种原因,目前市场上聚合物的价格普遍要高于液态锂电,但是,由于移动电器的竞争模式正在悄悄地发生变化,特别是聚合物电池给移动电器带来的设计价值创新(如4mm厚度以下的优越性能、大型规格电池),聚合物电池正被越来越多的手机、移动DVD等设计人员所认识,因而聚合物厂商还是信心十足,坚信聚合物的时代一定会到来。可以从手机的发展看聚合物锂离子电池的发展趋势。目前手机有以下几个发展趋势:
(1) 手机本身向小型化、超薄化方向发展,以方便消费者的携带;
(2) 手机设计的个性化,表现在设计理念已经不再是原来方方正正的形状,不规则形状、曲线、弧面设计造型成为手机设计美学化的主流;
(3) 使用彩屏、手机功能的不断增加。为了使手机小型化,电池减小、减薄是一个最有效的途径。4mm以下厚度电池有成为薄型手机配置的主流趋势,从性价比来讲,这是聚合物的特长。不规则形状、曲线、弧面设计造型的手机给电池留下的有效空间变成了不规则形状。液态的长方型不能有效利用空间,容量较低,而叠片式聚合物可以将这种不规则空间最有效地利用起来,使容量放大。最近TCL金能公司推出的圆弧型电池、梯形电池、背包电池能使手机比使用相应规格的液态电池容量增加50%以上。手机功能越来越多,导致耗电越来越多。要求电池容量相应地增加。在不增加电池厚度的情况下,聚合电池是有明显优势的。与此相似,笔记本电脑、蓝牙耳机、小灵通手机、移动DVD等电器都在向移动、便携化方向发展,都配上了液晶显示,而且功能在不断增多,液晶屏幕在不断增大。这些都给聚合物锂离子电池提供了无限的商机。
由于环保汽车在全球范围内受到追捧,混合动力车及电动汽车走俏,今后几年,车用锂电池市场将迅速扩大。“预计到2014年,该市场的规模将迅速扩大至2.25万亿日元(约合248亿美元),是2008年的约215倍。”这是日本专业市场调查机构富士经济研究所最近得出的统计数据。
为应对减排和石油资源日渐匮乏的双重压力,大多数国家都将发展新能源汽车视做振兴本国汽车产业和节能减排的最重要途径,而减排压力最大的中、美两国成为推动新能源汽车发展的旗手。日前,中、美发布的《联合声明》称,双方将启动中、美电动汽车倡议,使两国在未来数年有几百万辆电动汽车投入使用。
而我国去年3月发布的《汽车产业调整和振兴规划》中,对发展新能源汽车也制定了大致目标——未来三年,中国将形成50万辆纯电动充电式混合动力和普通型混合动力新能源汽车产能。到2012年,新生产汽车中将有10%是节能与新能源汽车,新能源汽车产值有望达到5000亿元。
面对如此诱人的市场蛋糕,国内车企、零部件及其他上游企业纷纷置身其中,以求占得先机。与传统汽车相比,新能源汽车与国外技术差距不大,存在弯道超车的可能,更加助长了相关企业加大新能源汽车投入的乐观情绪。其中,车用动力电池——锂离子电池更是成为各大相关企业研发的首选目标。
据了解,目前混合动力汽车主要采用镍氢电池技术,但镍氢电池的一些技术性能如能量密度、充放电速度等已经接近理论极限值。而锂电池具有能量密度高、容量大、无记忆性等优点,得到各汽车厂商和电池生产厂商的一致认可,目前各国研发的重点正是锂离子电池。
根据正极材料不同,锂电池主要有钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂四种。其中磷酸铁锂是目前最理想的动力汽车用锂电正极材料。目前,我国车企推出的纯电动车车型中,动力电池均为锂电池,奇瑞、比亚迪使用的均是磷酸铁锂。
尽管中国锂电池生产量位居世界第三,但在产品档次、技术水平方面与日本、美国存在一定差距,车用锂电池的产业化尚未真正破题。新华信等相关研究机构指出,我国动力电池生产设备比较落后,很多企业将注意力放在材料上,忽略了制造装备的改善。目前,我国生产电池的装备主要依靠进口,价格昂贵,这对我国车用动力电池的发展很不利,动力电池在大批量生产前,应该将先进的自动化设备研究放在第一位。另外,我国动力电池企业大多各自独立研发,其经费有限,仅能解决动力电池的基本问题,技术很难深入推进。企业之间缺乏充分交流,都希望了解别人的情况而不愿谈自己的经验,存在普遍的低水平重复研究现象。