聚合物锂离子电池基础知识

聚合物锂电池即聚合物锂离子电池。

根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池(Liquified Lithium-Ion Battery，简称为LIB)和聚合物锂离子电池(Polymer Lithium-Ion Battery, 简称为PLB)。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，正极材料分为钴酸锂、锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂材料，负极为石墨，电池工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同， 液态锂离子电池使用液体电解质， 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。

1分类

固体

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，可在常温下使用。

凝胶

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。

聚合物

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，其比容量相对增加。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，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以改善整个电池的比容量;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20%以上。聚合物锂离子(Polymer Lithium-Ion Battery)电池具有小型化、薄型化、轻量化的特点。因此，聚合物电池在市场占有会逐渐增多。[1]

2特点

聚合物锂离子电池具有以下特点[2]：

①塑形灵活性;

②更高的质量比能量(3倍于MH-Ni电池);

③电化学稳定窗口宽，可达5V;

④完美的安全可靠性;

⑤更长循环寿命，容量损失少;

⑥体积利用率高;

⑦广泛的应用领域。

3注意事项

一 重视短路情况

聚合物锂离子电池，在充电过程中很容易发生短路情况。包括：内部短路，外部短路等情况。

虽然，现在大多数锂离子电池都带有防短路的保护电路，还有防爆线，但很多情况下，这个保护电路在各种情况下不一定会起作用，防爆线能起的作用也很有限。

二 充电不要过充

聚合物锂离子电池，如果充电时间过长，发生膨胀的可能性就会加大。

锂的化学性质非常活泼，很容易燃烧，当电池充放电时，电池内部持续升温，活化过程中所产生的气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度，如外壳有伤痕，即会破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。而聚合物锂离子电池只会膨胀。

大家在使用时候，一定要注意安全。

4原理

锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂—碳层间化合物LixC6，典型的电池体系为：

(-) C | LiPF6—EC+DEC | LiCoO2 (+)

聚合物锂离子电池

正极反应(氧化反应)：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe- ----------- (2.1)

负极反应(还原反应)：6C+xLi++xe-=LixC6 ----------- (2.2)

电池总反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6 ----------- (2.3)

[3]聚合物锂离子电池的原理与液态锂相同，主要区别是电解液与液态锂不同。电池主要的构造包括有正极、负极与电解质三项要素。所谓的聚合物锂离子电池是说在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要的电池系统。而在目前所开发的聚合物锂离子电池系统中，高分子材料主要是被应用于正极及电解质。正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物，电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质，或是有机电解液，一般锂离子技术使用液体或胶体电解液，因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分，这就增加了重量，另外也限制了尺寸的灵活性。

新一代的聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化(ATL电池最薄可达0.5毫米,相于一张卡片的厚度)、任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性，从而可以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池，为设备开发商在电源解决方案上提供了一些设计灵活性和适应性，以最大化地优化其产品性能。同时，聚合物锂离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了20%，其容量、与环保性能等方面都较锂离子电池，有一些改善。

5展望

目前手机有以下几个发展趋势：

(1) 手机本身向小型化、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、弧面设计成为手机设计美学化的主流;[4]

(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20%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一些机会。[5]

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，虽然销量正在快速增长，但其市场份额还在10%左右，和液态锂电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。[6]

6优缺点

优点

1. 单体电池的工作电压高达3.6v~3.8v 远高于镍氢和镍镉电池的1.2V 电压。

2. 容量密度大,其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5~2.5 倍,或者更高。

3. 自放电小,在放置很长时间后其容量损失也很小。

4. 寿命长，正常使用其循环寿命可达到500 次以上。

5. 没有记忆效应,在充电前不必将剩余电量放空,使用方便。

6.安全性能好

聚合物锂电池在结构上采用铝塑软包装，有别于液态电芯的金属外壳，一旦发生安全隐患，液态电芯容易爆炸，而聚合物电芯最多只会气鼓。

7.厚度小，能做得更薄

超薄，电池能够组装进信用卡中。普通液态锂电采用先定制外壳，后塞正负极材料的方法，厚度做到3.6mm以下存在技术瓶颈，聚合物电芯则不存在这一问题，厚度可做到1mm以下，符合时下手机需求方向。

8.重量轻

采用聚合物电解质的电池无需金属壳来作为保护外包装。聚合物电池重量较同等容量规格的钢壳锂电轻40%，较铝壳电池轻20%。

9.容量大

聚合物电池较同等尺寸规格的钢壳电池容量高10～15%，较铝壳电池高5～10%，成为彩屏手机及彩信手机的首选，现在市面上新出的彩屏和彩信手机也大多采用聚合物电芯。

10.内阻小

聚合物电芯的内阻较一般液态电芯小，目前国产聚合物电芯的内阻甚至可以做到35mΩ以下，极大的减低了电池的自耗电，延长手机的待机时间，完全可以达到与国际接轨的水平。这种支持大放电电流的聚合物锂电更是遥控模型的理想选择，成为最有希望替代镍氢电池的产品。

11.形状可定制

制造商不用局限于标准外形，能够经济地做成合适的大小。聚合物电池可根据客户的需求增加或减少电芯厚度，开发新的电芯型号，价格便宜，开模周期短，有的甚至可以根据手机形状量身定做，以充分利用电池外壳空间，提升电池容量。

12.放电特性佳

聚合物电池采用胶体电解质，相比液态电解质，胶体电解质具有平稳的放电特性和更高的放电平台。

13.保护板设计简单

由于采用聚合物材料，电芯不起火、不爆炸，电芯本身具有足够的安全性，因此聚合物电池的保护线路设计可考虑省略PTC和保险丝，从而节约电池成本。[7]

缺点

1. 电池成本高,电解质体系提纯困难。

2. 需要保护线路控制，过充或者过放都会使电池内部化学物质的可逆性遭到破坏，从而严重影响电池的寿命。

7性能研究

对均聚物聚偏氟乙烯(PVdF)、偏氟乙烯与六氟丙烯的二元共聚物(PVdF-HFP)分别作为聚合物锂离子电池骨架材料的性能进行了对比研究。研究结果表明，采用适当的技术手段，可使PVdF作为聚合物锂离子电池的骨架材料获得比PVdF-HFP共聚物更为优良的性能。