液態(tài)鋰離子電池與聚合物鋰離子電池性能對(duì)比

影響鋰離子電池的性能的因素主要包括材料和制造工藝兩個(gè)方面，其中材料又包括正負(fù)極活性物質(zhì)、正負(fù)極隔離層等。本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行對(duì)比。

一、正負(fù)極活性物質(zhì)

目前二次鋰離子電池廣泛使用的負(fù)極材料主要包括石墨化負(fù)極材料和嵌鋰人造碳（包括高分子化合物MCMB、碳纖維和焦碳等）兩大類。前者主要應(yīng)用于液態(tài)鋰離子電池，后者則多用于追求高容量體積比的鋁殼電池，在聚合物鋰離子電池也有較廣泛的應(yīng)用。前者顆粒大，碳層間距小，后者則顆粒較小，碳層艱巨大。由于電池電極中顆粒之間大多為點(diǎn)接觸，因此小顆粒碳負(fù)極電阻比大顆粒碳負(fù)極的大，同時(shí)顆粒過大，在大電流充放電過程膨脹收縮過大也會(huì)影響鋰離子電池的安全性能。因此我公司采用的負(fù)極為大小顆粒按照一定比例配比形成的混合態(tài)，達(dá)到了擴(kuò)大顆粒之間接觸面積、降低電極阻抗、增加電極容量、減少析鋰的目的。

二、正負(fù)極隔離層

目前各個(gè)公司液態(tài)鋰離子電池使用的是鋰鹽溶解于兩至四種有機(jī)溶劑的混合溶液而形成的電解液，其在常溫下為液態(tài)，電導(dǎo)率一般為10-2S／cm數(shù)量級(jí)。而聚合物鋰離子電池包括固體聚合物電解質(zhì)和凝膠聚合物兩種，前者可以將電解質(zhì)做得非常薄，因此作成的電池可以是任意形狀而且不會(huì)存在液態(tài)鋰離子電池很有可能存在的漏液情況，并且固態(tài)的電解質(zhì)可以避免充放電過程中鋰枝晶的形成，有阻于提高電池循環(huán)壽命和安全性能但是，固態(tài)電解質(zhì)在45℃時(shí)電導(dǎo)率僅為10-5S／cm左右，而在20℃下電導(dǎo)率則為10-8S／cm左右，因此此類電池僅限于高溫小電流情況下的使用使用（80℃下0.15C放電效率接近100%），實(shí)際上目前并使用固體聚合物電解質(zhì)的商品化電池存在。而凝膠態(tài)電解質(zhì)則是在固體聚合物電解質(zhì)中加入過量的有機(jī)溶劑作為增塑劑，使原來(lái)的固體聚合物電解質(zhì)變成凝膠狀而形成。這種電解質(zhì)的電導(dǎo)率比原來(lái)提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)達(dá)到常溫下10-5S／cm，最好的可以達(dá)到10-3S／cm，接近液態(tài)鋰離子電解質(zhì)的電導(dǎo)率，因而使其應(yīng)用于規(guī)模化生產(chǎn)成為可能，但是此中電解質(zhì)有可能發(fā)生冗余有機(jī)溶劑以分子態(tài)溢出的情況，在高低溫的情況下則更為明顯，一旦冗余有機(jī)溶劑溢出過多，則電解質(zhì)會(huì)重新變成固體聚合物電解質(zhì),因此此類聚合物電池也象液態(tài)鋰離子電池一樣須注意漏液?jiǎn)栴}，同時(shí)即使對(duì)外不漏液在高低溫循環(huán)時(shí)也容易發(fā)生有機(jī)溶劑從凝膠態(tài)電解質(zhì)滲出而使電解質(zhì)破壞的問題。

三、制造工藝

由于鋰離子聚合物電池的本身特性，在實(shí)際制作時(shí)幾乎全部使用疊層結(jié)構(gòu)，疊層結(jié)構(gòu)有利于降低電池內(nèi)阻，提高電池大電流放電能力，但由于制造工藝和應(yīng)用條件限制，本身不可能制成很大而薄的電池，在作為鋰離子動(dòng)力實(shí)際使用時(shí)，由于單層容量小，往往使疊層層數(shù)達(dá)到50層以上，如果不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，由于單層重量輕，在制作過程中對(duì)單層分檔相當(dāng)困難，過多的疊層數(shù)量使得單體電池內(nèi)單層電芯并聯(lián)的一致性較差，也使得成品電池的充放電效率不一致，降低了成品電池配對(duì)的綜合性能。而目前液態(tài)鋰離子電池在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上主要采用少數(shù)幾個(gè)卷繞式電芯并聯(lián)，并聯(lián)數(shù)量少，單個(gè)卷芯重量大，配對(duì)較為容易，只要能實(shí)現(xiàn)真正量產(chǎn)，電池內(nèi)部卷芯的一致性可以達(dá)到99.99%以上，只要采用適當(dāng)?shù)姆诌x工藝，制成的成品電芯配對(duì)時(shí)可以保證較高的綜合可靠性能。

四、安全性能

鋰離子電池由于高電壓的要求，電解質(zhì)中采用了在非水劑的有機(jī)溶劑（EC、pC、DEC、EMC、DMC等），此類有機(jī)溶劑在高溫狀態(tài)下可能引起著火燃燒的情況，一旦電池處于內(nèi)部短路、外部短路、過充電、熱箱等環(huán)境時(shí)電池內(nèi)壓熱過大、內(nèi)熱過高，達(dá)到有機(jī)溶劑的著火點(diǎn)，就會(huì)引燃有機(jī)溶劑，使電池瀉放，嚴(yán)重的會(huì)引起著火燃燒和爆炸的現(xiàn)象，因此對(duì)于鋰離子電池來(lái)說有效的散熱和危險(xiǎn)時(shí)的自就成為制約安全性能的重要因素，

1、散熱

液態(tài)鋰離子電池由于內(nèi)部使用了較多高比熱的銅箔、鋁箔，只要使用較好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，瞬間熱量可以較快的擴(kuò)散開，不至于產(chǎn)生安全性問題，而聚合物鋰離子電池由于內(nèi)部一般正負(fù)極基質(zhì)采用了較少的銅網(wǎng)、鋁網(wǎng)，散熱能力較差，使得散熱成為比較重要的問題。

2、自保護(hù)功能

液態(tài)鋰離子電池的自保護(hù)功能主要體現(xiàn)在隔膜的自封閉性能和電池內(nèi)部安裝保險(xiǎn)的方面，目前較為廣泛使用的液態(tài)鋰離子電池隔膜為pC-pE-pC三層復(fù)合膜，當(dāng)電池內(nèi)外發(fā)生短路或有過大電流通過電池時(shí)，產(chǎn)生的高溫（125℃）使內(nèi)層pE膜即可實(shí)現(xiàn)自封閉，整個(gè)正負(fù)極隔離層導(dǎo)電率小于超過10-3S／cm，從而避免進(jìn)一步升溫產(chǎn)生危險(xiǎn)，內(nèi)部保險(xiǎn)則包括可恢復(fù)式過流保險(xiǎn)和不可恢復(fù)式過熱保險(xiǎn)，過流保險(xiǎn)在大電流通過時(shí)自身內(nèi)阻迅速增大，減小通過電流，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電池的目的，過熱保險(xiǎn)則主要在電池遇到過充、內(nèi)部短路等情況下，切斷外部電流，隔離動(dòng)力電池內(nèi)部各個(gè)卷芯使危險(xiǎn)源降低至最小，從而保證電池不至于產(chǎn)生危險(xiǎn)。而聚合物鋰離子電池由于本身特點(diǎn)，凝膠式電解質(zhì)在過熱時(shí)會(huì)散發(fā)出冗余有機(jī)溶劑，進(jìn)一步增加內(nèi)壓，加劇危險(xiǎn)的產(chǎn)生.。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的原因一般不在內(nèi)部安裝各種保險(xiǎn)。

五、綜合比較

綜合性能比較見下表

液態(tài)鋰離子動(dòng)力電池和聚合物鋰離子動(dòng)力電池比較

液態(tài)鋰離子動(dòng)力電池聚合物鋰離子動(dòng)力電池

體積比容量5Ah/74cm35Ah/42cm3

重量比容量5Ah/100g5Ah/79g

常溫循環(huán)壽命500次，70%800次，70%

-25℃存放一周后循環(huán)壽命300次，55%150次，54%

+75℃存放一周后循環(huán)壽命300次，60%120次，57%

內(nèi)阻（5Ah電池）17-23mΩ17-27mΩ

月自放電1.2%0.9%

-25℃放電93%86%

-40℃放電64%47%

+55℃放電98%91%

振動(dòng)（UL標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)，4h）內(nèi)阻電壓無(wú)變化內(nèi)阻電壓無(wú)變化

擠壓（至短路）冒煙冒煙

短路（20mΩ外部短路）瀉放、無(wú)冒煙起火爆炸

落下（1.8m，10次）內(nèi)阻電壓無(wú)變化電壓無(wú)變化、內(nèi)阻增大2mΩ

過充（1C，6V）瀉放、無(wú)冒煙起火冒煙

針刺（刺穿電池）無(wú)冒煙起火無(wú)冒煙起火

熱箱（150℃，30min）瀉放冒煙、著火

注：由于本人熟悉液態(tài)鋰離子動(dòng)力電池各種工藝技術(shù)而對(duì)聚合物鋰離子電池制造工藝不是很熟悉，故以上內(nèi)容中關(guān)于液態(tài)鋰離子電池主要為個(gè)人意見，有關(guān)聚合物鋰離子電池部分則參考較多資料。