锂离子电池:原理、性能与应用全解析
1. 锂离子电池概述
锂离子电池由采用锂嵌入化合物作为正负极材料的电芯组成。在电池充放电循环过程中,锂离子在正负极之间交换,因此也被称为“摇椅电池”。正极材料通常是具有层状结构的金属氧化物,如钴酸锂(LiCoO₂),或具有隧道结构的材料,如锰酸锂(LiMn₂O₄),附着在铝箔集流体上;负极材料一般是石墨碳,同样是层状材料,附着在铜集流体上。充电和放电时,锂离子在活性材料的原子层间隙中嵌入或脱出。
早期上市的电池以及目前市场上的大部分产品,都使用钴酸锂作为正极材料。钴酸锂具有良好的电学性能,易于制备,安全性好,且对工艺变化和湿度相对不敏感。近年来,一些成本更低或性能更高的材料,如锰酸锂或镍钴酸锂(LiNi₁₋ₓCoₓO₂)被引入,推动了电池性能的提升。最初商业化的电池采用焦炭作为负极材料,随着石墨材料的改进,行业逐渐转向使用石墨碳作为负极,因为它具有更高的比容量、更长的循环寿命和更好的倍率性能。
锂离子电池市场在过去十年中取得了显著增长,从研发阶段的小众兴趣发展到1999年超过4亿个单位的销售量。到2000年,原始设备制造商(OEM)层面的市场价值估计达到18.6亿美元。预计到2005年,市场规模将增长到超过11亿个单位,价值超过40亿美元,而平均单价预计将从1999年到2005年下降46%。这种具有成本效益、高性能且安全的技术受到市场的广泛关注,推动了其快速发展。为满足市场需求,开发了多种设计,包括螺旋缠绕圆柱形、缠绕棱柱形和平板棱柱形等,尺寸从0.1 Ah到160 Ah不等。目前,锂离子电池的应用领域广泛,涵盖了消费电子产品(如手机、笔记本电脑和个人数字助理)以及军事电子产品(如收音机、地雷探测器和热武器瞄准镜)。未来,预计还将应用于飞机、航
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