锂聚合物电池

锂聚合物电池（Li-polymer Battery电池电池）又称聚合物锂离子电池，广泛应用于智能手机等便携设备、医疗设备、移动电源等；其主要特点包括高能量密度、轻薄设计、低自放电率。

锂聚合物电池的发现来自于对锂离子和锂金属电池的深入研究。1991年，索尼与电池部门合作开发了以多元醇热解碳为负极的离子电池。1993年，贝尔电信首次报道了用PVDF工艺制造的聚合物离子电池。国内厂商也在90年代开始生产聚合物离子电池。这些里程碑标志着电池技术的重要进步。

锂聚合物电池的工作原理是基于锂离子在正负极之间的运动，使电池储存和释放能量；它的结构包括五部电影。此外，聚合物锂离子电池根据电解质的不同还可以分为固体聚合物电解质锂离子电池、凝胶聚合物电解质锂离子电池、三种聚合物正极材料的锂离子电池。

电池的历史已经有200多年了，古代巴格达附近出土的陶瓶里的铁棒插在铜圆简里，似乎就是古代电池的雏形。1771年，加尔瓦尼发现了肌肉与金属刀片接触时的电现象，但真正的电池直到1800年才由亚历山德罗开发出来·伏打发明了人类历史上第一个供电装置（伏打电堆）从19世纪到20世纪初，湿电池、干电池相继诞生，氢气出现-氧燃料电池、空气电池等多种电池形式见证了20世纪后期电池技术的飞速发展，锂电池就是在这一时期诞生并广泛应用的。 

锂聚合物电池的发现源于上世纪80年代对锂离子和锂金属电池的深入研究。1991年，锂聚合物电池的发展迎来了一个里程碑——日本索尼公司和电池部共同开发了用多元醇热解碳的方法（PFA）负离子电池是第一个商业化的锂离子电池。贝尔科尔，美国，1993年（贝尔电讯公司）首先，报道了用PVDF工艺制备的聚合物离子电池（PLIB）聚合物离子电池的中国制造商也在20世纪90年代出现1999年12月，厦门宝龙实业有限公司、2000年7月，广东惠州TCL金能电池有限公司相继投产。

经过近十年的筛选，电动车的动力电池主要有镍氢电池、磷酸铁锂电池、锂离子电池和锂聚合物电池。自1996年以来，聚合物锂离子电池领域吸引了越来越多的研究机构和企业，推动了其快速发展。2000年，聚合物锂离子电池在美国和日本取得了巨大的商业成功，尤其是在日本以索尼为首的聚合物锂离子电池企业年产量超过2000万，市场份额超过50%三洋 s聚合物离子电池后来也赶上了潮流。我国聚合物离子电池产业化始于1998年目前，越来越多的企业从事其开发和生产，年生产能力达8000万只。

锂聚合物电池具有特殊的结构，由五层薄膜组成。第一层用金属箔做集流体，第二层是负极，第三层是固体电解质，第四层用铝箔做正极，第五层是绝缘层五层的总厚度为0. 1 mm。为了防止电池瞬间输出大电流时过热，锂聚合物电池有严格的热管理系统聚合物电池的主要优点是消除了液态电解液，避免了电池失效时电解液溢出造成的污染。

要了解锂聚合物电池的工作原理，通常可以从液态锂离子电池和锂聚合物电池的异同入手。其实这两种电池都属于锂离子电池，而液体锂离子电池是指 Li的插层化合物为正极、具有负电极的二次电池采用LiCoO2作为其正电极、LiNiO2或LiMn 2O 4是锂离子化合物，锂用作负极—碳层间化合物LixC6，电解质是溶解有锂盐的LiPF6、Li-AsF6和其他有机溶剂。其实锂聚合物电池的原理和锂离子电池基本相同其实就是锂离子浓缩电池，正负极由两种锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li从正极脱出，通过电解液嵌入负极负电极处于富锂状态，正电极处于贫锂状态同时，电子的补偿电荷从外电路提供给碳负极，保证了负极的电荷平衡；相反，Li从负极脱嵌并通过电解质嵌入正极（这种循环被形象地称为摇椅机制）在正常充放电条件下，锂离子嵌入层状碳材料和层状氧化物之间、嵌出。因为过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2中有许多低自旋复合物、晶格体积小，锂离子嵌入和脱嵌时晶格膨胀和收缩小、晶体结构稳定，所以循环性能好。而且在充放电过程中，正极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性来看，锂离子电池的反应是一个理想的可逆过程。

充放电方式：聚合物锂离子电池的充电方式与液体锂离子电池类似，通常采用恒流充电和恒压充电，有时二者交替使用。目前常用的充电方式是恒流恒压充电。在这种充电模式下，电池首先以恒定电流充电（CC阶段）当电池电压达到一定值时（通常是4.2V）之后，电压保持不变（CV阶段）电流逐渐减小，最后趋近于零。在这个过程中，电压、电流和充电量随时间的变化如图1所示。从图中可以看出，电池的初始电压为2.5V，随着充电的过程，电池的实际容量迅速增加。在前1.在5到2小时内，电池的实际容量已经达到标称容量的90%以上；接下来的几个小时，电池实际容量增长缓慢，充满电需要3个多小时。在恒流充电模式下，电池电压从2.5V快速升至4.15V，然后为了给电池充满电，电压不变，电流急剧下降，最后趋近于零。充放电行为：目前，聚合物锂离子电池表现出许多性能优势。它们的体积容量密度高于液体锂离子电池，并且它们的质量密度甚至可以超过锂离子电池20%左右。在70℃下，聚合物锂离子电池的放电容量可以达到室温下的95%这是液态锂离子电池无法比拟的。此外，它们的极化行为在低温下得到改善。经过500次1C充放电循环后，这些聚合物锂离子电池的容量仍能保持在初始容量的80%以上。与同尺寸的锂离子电池相比，以尖晶石型锰酸锂为正极的聚合物锂离子电池（如图2），不仅具有优异的循环性能，抑制锰的溶出，而且具有高容量密度。

与锂离子电池相比，锂聚合物电池具有以下特点：

优点  

电池漏液问题相对改善，但改善不彻底。可以做成薄电池，用3.6 V、对于250 mAh的容量，电池厚度可以薄至0.5mm。可以做成单节高压电池液体电解质的电池只有把几节电池串联起来才能得到高电压，而聚合物电池由于没有液体，可以在单节电池中做成多层组合。

理论上比同尺寸的锂离子电池放电容量高 10左右%使用聚合物电解质的轻质:电池不需要金属外壳作为保护性外包装。柔性形状:制造商不需要局限于标准形状，可以经济地制成合适的尺寸。

缺点

所有锂离子电池（包括聚合物锂离子电池、磷酸铁锂电池）都非常害怕内部短路、外部短路、过充这些现象。因为锂的化学性质非常活泼，很容易燃烧当电池放电或充电时，电池内部温度会不断升高，活化过程中产生的气体会膨胀，电池内部压力会增加，压力达到一定程度如果外壳有伤痕，就会破裂造成泄漏、起火，甚至爆炸。与锂离子电池相比，能量密度和循环次数有所下降。制造价格昂贵。

聚合物锂离子电池根据电解质不同分为固体聚合物电解质锂离子电池、凝胶聚合物电解质锂离子电池、具有聚合物阴极材料的锂离子电池。固体聚合物电解质锂离子电池：电解质是聚合物和盐的混合物这种电池在室温下具有低离子电导率，适合高温使用。

凝胶聚合物电解质锂离子电池：也就是说，将诸如增塑剂的添加剂添加到固体聚合物电解质中，使得离子导电性得到改善，并且电池可以在室温下使用。

具有聚合物阴极材料的锂离子电池：使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，是最新一代的鲤鱼离子电池。

便携式电子设备：由于锂聚合物电池，保证了二次电池的安全性和循环性能，并且具有高的比能量、工作温度范围宽、工作电压平稳、储存期长等优点。目前苹果产品全部采用鲤鱼聚合物电池，iPad用的大聚合物电池主要采用ATL、力神、SD1、Sony、LGC共同提供。

电动汽车和混合动力汽车：在新能源汽车领域，中国企业已经与国际汽车巨头奇瑞站在了同一起跑线上、吉利、长城、SAIC比亚迪等国内主要汽车制造商已将新能源汽车尤其是电动汽车的研发作为核心竞争力。丰田、日产等日系车企也在大力研发锂聚合物，以配合普锐斯聆风等新能源车。

能源存储系统：太阳能便携式储能系统用 锂聚合物电池。这种电池技术可以储存太阳能或风能等可再生能源，并在必要时释放出来供电，以平衡能源供需，提高能源利用率。

航空航天应用： 锂聚合物电池也用于航天领域，如卫星、无人机（无人机）航天器等。由于其重量轻和高能量密度，它对于航空航天应用特别重要。

医疗设备和植入式医疗器械： 锂聚合物电池还用于医疗设备和植入式医疗器械，如植入式心脏起搏器、听诊器等，提供稳定的动力支持。

锂聚合物电池的核心指标包括电池容量、电池寿命、电池内阻、电池工作电压和充放电速率。此外，还有比容量等其他常用指标、能量密度、电池功率和功率密度等。 

电池容量

电池的容量意味着电池充电到一定水平、放电条件（温度、终止电压、放电电流等）环境下可以容纳或释放的总电量，单位为安培小时（Ah）或毫安时（mAh），分为额定容量、理论容量和实际容量。

锂聚合物电池

电池寿命

二次电池有两个方面储存寿命和循环寿命。储存寿命是指在特定环境下，负载未接通时，电池达到规定指标所需的时间，与自放电密切相关。自放电是电池未与外部电路连接时，内部自发反应造成的容量损失。循环寿命是指电池在特定条件下的循环充放电，直到比放电容量下降到规定的指标（通常为初始容量的80%所需的循环次数。

电池内阻

电池内阻是指电池工作时电流在电池内部遇到的电阻，由欧姆内阻和极化内阻组成。较大的内阻导致电池的放电电压和放电时间降低。电池的性能通常表现为内阻越小，性能越好。内阻由电池材料决定、制造工艺、结构等因素是评价电池性能的重要参数。

工作电压

电池的工作电压是指电池工作时，即电路中有电流流动时，电池正负极之间的电位差。电池放电时，电流流过电池时，需要克服电池内阻引起的电阻，所以工作电压总是低于开路电压。离子电池的放电电压为 3.7V 左右。

充放电速率

电池充、测量放电速度有两种方法小时速率和倍率。小时率是指在恒流放电条件下，电池额定容量放电所需的小时数（h）速率是指电池在一定时间内放电完所有额定容量所需的电流，通常用C表示，C=1/h。 

比容量

电池的比容量常用来比较不同电池的性能，比容量分为质量比容量（Ah·kg-1）和体积比容量（Ah·L-1）分别指单位质量和单位体积电池的容量。

能量密度

电池能量密度是指单位质量或体积的电池所能释放的能量，也称为质量比能量或体积比能量，单位为“Wh·kg-1”或“Wh·L-1”

功率密度

电池的功率是指在一定的放电条件下，电池在单位时间内能够输出的能量，单位为“w”功率密度是指单位体积或质量的电池的输出功率，单位为in“W·kg-1”或“W·L-1”功率代表电池承受电流的能力电池的内阻越小，放电的实际输出功率越大。

荷电状态

荷电状态state of charge又称剩余电量，是指二次电池在使用一段时间或长时间不用后的剩余容量与其完全充电容量的比值，通常用百分比表示（取值范围0% ~ 100%

放电深度

放电深度是二次电池的放电容量与额定容量的比值，通常用百分数表示。

开路电压

电池的开路电压是指电池不工作时，即电路中没有电流流动时，电池正负极之间的电位差。

所有的锂离子电池，包括聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池，内部都是短路的、外部短路和过充非常敏感，因为锂的化学性质非常活泼，容易引起火灾或爆炸。当电池放电或充电时，电池内部温度会升高，产生气体膨胀，使电池内压升高如果电池外壳损坏，可能会发生液体泄漏、起火甚至爆炸。为了降低锂离子电池的危险性，技术人员添加了一些元素（如锂、锰、铁等）抑制锂的活性。然而，这些措施并不能从根本上消除锂离子电池的危险。

聚合物电池采用胶体电解质，不会因为液体沸腾而产生大量气体，大大降低了剧烈爆炸的风险。国内生产的锂聚合物电池多为软包电池，以铝塑膜为外壳，电解液没有变化。这种电池可以做薄，低温放电性能好，材料能量密度与传统液体锂电池和普通聚合物电池基本相同。因为有铝塑膜，所以比普通的液体锂电池要轻。安全性方面，柔性电池的铝塑膜在液体开始沸腾时会自然膨胀或破裂，避免了爆炸的可能。

废旧锂电池的回收包括预处理和有价金属的回收利用废旧锂离子电池的回收产品，可以重新制备电池电极材料，电极材料可以再生。

预处理

预处理是废旧电池回收过程中的一个重要步骤，包括放电、拆解和粉碎分选。放电：3356放电的目的是为了安全处置废旧电池中的残电，避免后续拆解过程中可能出现的局部过热或短路导致爆炸。常见的电池放电方式有导电盐溶液波浸短路法、导电粉体短路法、导板放电法和针刺放电法。

拆解： 放电后，电池需要拆卸。这个过程包括剥开或切开电池外壳，取出电芯，然后将正极板放入电芯、负极片、隔膜等被一个接一个地分开用于后续分类。由于不同厂家生产的电池规格不同，电池外壳材质和硬度不同，通常需要人工拆卸，导致电池拆卸效率较低。

粉碎分选： 有些厂家在预处理步骤中并不分离电芯中的正负极板和隔板，而是将整个电芯压碎。然后，根据被粉碎材料的粒度、磁性、导电性和其他物理性质，使用浮选、重选、磁选、分别采用筛分等方法分离和收集铜颗粒、铝箔颗粒阳极和阴极材料粉末等，然后对阳极和阴极材料进行高温热处理以分解粘合剂并获得阳极和阴极活性物质。该工艺可避免废水废气等二次污染。

有价金属回收

有价金属回收是废电池处理过程中的重要环节，主要集中在正负极材料中有价金属元素的提取和回收。以下是回收有价值金属的主要技术：

火法冶金： 该技术将电池材料放入高温炉中，通过高温处理将非金属成分分解成气体，而金属成分则形成合金材料。这样可以有效提取有价值的金属。

湿法治金： 湿法法治包括两个主要步骤：活性物质的浸出和金属从浸出液中的分离。首先用无机酸或有机酸浸出废电池中的正负极材料粉末，金属以离子的形式溶解在浸出液中。然后采用不同的方法，比如沉淀分离、溶剂萃取法、电化学分离技术、离子交换分离等分离浸提溶液中的有价值金属以获得单一金属产品或金属化合物。

浸出： 正极材料的浸出是回收废旧锂离子电池的关键步骤。无机酸和有机酸通常用作浸出剂无机酸浸出效率高，几乎可以浸出所有金属。相比之下，有机酸浸出的金属浸出率略低。

沉淀分离： 通过加入沉淀剂，可以选择性地沉淀出浸出液中的某种金属离子，从而实现这种金属与其他金属的分离。沉淀产物可进一步用作生产阴极材料的原料。

溶剂萃取法： 利用有机溶剂对金属离子的不同亲和力，实现浸出液中金属离子的分离纯化。

电化学分离技术： 电池废料中的金属离子在电场的作用下溶解到电解液中，然后金属离子沉积在电极板上或从溶液中分离出来，实现金属分离。

离子交换分离： 利用离子交换树脂对金属离子吸附能力的差异，实现金属与浸出液的分离。

生物冶金：生物技术利用微生物分解阴极材料，将其中的金属转移到溶液中，然后分离提纯金属。

电极材料再生

共沉淀法：首先，混合废旧锂离子电池正极材料浸出液中的镍、钴、锰和其他金属与其他金属分开。然后，通过共沉淀法制备前驱体，加入一定量的锂源，通过高温煅烧合成新的正极材料。这种方法可以恢复阴极材料的性能。

直接再生法：该方法具有操作简单流程短处理量大的优点。但主要适用于低衰减的电池正极材料。对于严重衰变的正极材料，由于结构严重坍塌，很难通过直接再生恢复其原有容量，无法满足商用电池的性能要求。

负极材料的再生

负极材料再生复杂，废旧锂离子电池负极材料中锂含量高，具有一定的回收利用价值。然而，废旧锂离子电池的负极材料通常会出现严重的衰减和结构变形，即使经过高温烧结也很难修复。因此，如何有效利用负极材料仍然是废旧锂离子电池回收利用的难点。