一、聚合物鋰電池概述

　　聚合物鋰電池一般指聚合物鋰離子電池。

　　根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料的不同，鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池（LiquifiedLithium-IonBattery，簡稱為LIB）和聚合物鋰離子電池（PolymerLithium-IonBattery，簡稱為PLB）或塑料鋰離子電池（PlasTIcLithiumIonBatteries，簡稱為PLB）。聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，正極材料分為鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰材料，負極為石墨，電池工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同，液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質(zhì)，聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物凝膠電解質(zhì)。

　　聚合物鋰電池分類：

　　固體：

　　固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物，這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率高，可在常溫下使用。

　　凝膠：

　　凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑，從而提高離子導(dǎo)電率，使電池可在常溫下使用。

　　聚合物：

　　由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì)，與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以改善整個電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高20%以上。聚合物鋰離子（PolymerLithium-IonBattery）電池具有小型化、薄型化、輕量化的特點。因此，聚合物電池在市場占有會逐漸增多。

　　聚合物鋰電池原理：

　　鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極采用鋰化合物L(fēng)iCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，負極采用鋰—碳層間化合物L(fēng)ixC6，典型的電池體系為：

　　聚合物鋰離子電池的原理與液態(tài)鋰相同，主要區(qū)別是電解液與液態(tài)鋰不同。電池主要的構(gòu)造包括有正極、負極與電解質(zhì)三項要素。所謂的聚合物鋰離子電池是說在這三種主要構(gòu)造中至少有一項或一項以上使用高分子材料做為主要的電池系統(tǒng)。而在目前所開發(fā)的聚合物鋰離子電池系統(tǒng)中，高分子材料主要是被應(yīng)用于正極及電解質(zhì)。正極材料包括導(dǎo)電高分子聚合物或一般鋰離子電池所采用的無機化合物，電解質(zhì)則可以使用固態(tài)或膠態(tài)高分子電解質(zhì)，或是有機電解液，一般鋰離子技術(shù)使用液體或膠體電解液，因此需要堅固的二次包裝來容納可燃的活性成分，這就增加了重量，另外也限制了尺寸的靈活性。

　　新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化（ATL電池最薄可達0.5毫米，相于一張卡片的厚度）、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設(shè)計的靈活性，從而可以配合產(chǎn)品需求，做成任何形狀與容量的電池，為設(shè)備開發(fā)商在電源解決方案上提供了一些設(shè)計靈活性和適應(yīng)性，以最大化地優(yōu)化其產(chǎn)品性能。同時，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了20%，其容量、與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池，有一些改善。

　　聚合物鋰電池優(yōu)缺點：

　　優(yōu)點：

　　1.單體電池的工作電壓高達3.6v~3.8v遠高于鎳氫和鎳鎘電池的1.2V電壓。

　　2.容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5~2.5倍，或者更高。

　　3.自放電小，在放置很長時間后其容量損失也很小。

　　4.壽命長，正常使用其循環(huán)壽命可達到500次以上。

　　5.沒有記憶效應(yīng)，在充電前不必將剩余電量放空，使用方便。

　　6.安全性能好

　　聚合物鋰電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑軟包裝，有別于液態(tài)電芯的金屬外殼，一旦發(fā)生安全隱患，液態(tài)電芯容易爆炸，而聚合物電芯最多只會氣鼓。

　　7.厚度小，能做得更薄

　　超薄，電池能夠組裝進信用卡中。普通液態(tài)鋰電采用先定制外殼，后塞正負極材料的方法，厚度做到3.6mm以下存在技術(shù)瓶頸，聚合物電芯則不存在這一問題，厚度可做到1mm以下，符合時下手機需求方向。

　　8.重量輕

　　采用聚合物電解質(zhì)的電池?zé)o需金屬殼來作為保護外包裝。聚合物電池重量較同等容量規(guī)格的鋼殼鋰電輕40%，較鋁殼電池輕20%。

　　9.容量大

　　聚合物電池較同等尺寸規(guī)格的鋼殼電池容量高10～15%，較鋁殼電池高5～10%，成為彩屏手機及彩信手機的首選，現(xiàn)在市面上新出的彩屏和彩信手機也大多采用聚合物電芯。

　　10.內(nèi)阻小

　　聚合物電芯的內(nèi)阻較一般液態(tài)電芯小，目前國產(chǎn)聚合物電芯的內(nèi)阻甚至可以做到35mΩ以下，極大的減低了電池的自耗電，延長手機的待機時間，完全可以達到與國際接軌的水平。這種支持大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的理想選擇，成為最有希望替代鎳氫電池的產(chǎn)品。

　　11.形狀可定制

　　制造商不用局限于標準外形，能夠經(jīng)濟地做成合適的大小。聚合物電池可根據(jù)客戶的需求增加或減少電芯厚度，開發(fā)新的電芯型號，價格便宜，開模周期短，有的甚至可以根據(jù)手機形狀量身定做，以充分利用電池外殼空間，提升電池容量。

　　12.放電特性佳

　　聚合物電池采用膠體電解質(zhì)，相比液態(tài)電解質(zhì)，膠體電解質(zhì)具有平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺。

　　13.保護板設(shè)計簡單

　　由于采用聚合物材料，電芯不起火、不爆炸，電芯本身具有足夠的安全性，因此聚合物電池的保護線路設(shè)計可考慮省略PTC和保險絲，從而節(jié)約電池成本。

　　缺點：

　　1.電池成本高，電解質(zhì)體系提純困難。

　　2.需要保護線路控制，過充或者過放都會使電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的可逆性遭到破壞，從而嚴重影響電池的壽命。

　　二、磷酸鐵鋰電池概述

　　磷酸鐵鋰電池，是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。

　　磷酸鐵鋰電池的空間結(jié)構(gòu)：

　　對于LiFePO4的正極材料，其原料來源較為廣泛，循環(huán)壽命較長，安全指數(shù)也很高，對環(huán)境污染較小，在眾多正極材料中體現(xiàn)出非常強的綜合性能，一直是制備鋰離子電池正極的熱點材料，在最近幾年的發(fā)展下，LiFePO4型正極材料已經(jīng)達到實用的水平，甚至開始正規(guī)商業(yè)化應(yīng)用，LiFePO4為橄欖石結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)如圖1所示，其理論比容量為170mAhh，當(dāng)鋰離子電池進行充電時，會發(fā)生氧化反應(yīng)，鋰離子FeO6層面間釋放出來，流進電解液，最后到達負極，在外電路，電子同時到達負極，鐵會從二價鐵離子變?yōu)槿齼r鐵離子，發(fā)生氧化反應(yīng)。放電過程則與充電過程相反，發(fā)生的是還原反應(yīng)。

　　磷酸鐵鋰電池工作原理：

　　磷酸鐵鋰電池，是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。

　　意義

　　金屬交易市場，鈷（Co）最貴，并且存儲量不多，鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜，而鐵（Fe）存儲量較多。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此，采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應(yīng)是挺便宜的。它的另一個特點是對環(huán)境環(huán)保無污染。

　　作為充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)穩(wěn)定性能、使用中安全（不會因過充電、過放電及短路等操作不當(dāng)而引起燃燒或爆炸）、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環(huán)境無污染。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰電池在這些性能要求上都不錯，特別在大放電率放電（5～10C放電）、放電電壓平穩(wěn)上、安全上（不燃燒、不爆炸）、壽命上（循環(huán)次數(shù)）、對環(huán)境無污染上，它是最好的，是目前最好的大電流輸出動力電池。

　　結(jié)構(gòu)與工作原理

　　LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。

　　LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中，負極中的鋰離子Li通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

　　LiFePO4內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　主要性能

　　LiFePO4電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個生產(chǎn)廠家采用的正、負極材料、電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同，其性能上會有些差異。例如同一種型號（同一種封裝的標準電池），其電池的容量有較大差別（10%～20%）。

　　這里要說明的是，不同工廠生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動力電池在各項性能參數(shù)上會有一些差別;另外，有一些電池性能未列入，如電池內(nèi)阻、自放電率、充放電溫度等。

　　磷酸鐵鋰動力電池的容量有較大差別，可以分成三類：小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數(shù)也有一些差異。

　　過放電到零電壓試驗：

　　采用STL18650（1100mAh）的磷酸鐵鋰動力電池做過放電到零電壓試驗。試驗條件：用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿，然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組：一組存放7天，另一組存放30天;存放到期后再用0.5C充電率充滿，然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別。

　　試驗的結(jié)果是，零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏，性能良好，容量為100%;存放30天后，無泄漏、性能良好，容量為98%;存放30天后的電池再做3次充放電循環(huán)，容量又恢復(fù)到100%。

　　這試驗說明該磷酸鐵鋰電池即使出現(xiàn)過放電（甚至到0V），并存放一定時間，電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。

　　三、聚合物鋰電池和磷酸鐵鋰電池

　　鋰聚合物電池（Li-polymer）是在鋰離子電池的基礎(chǔ)上以高分子聚合物電解質(zhì)取代傳統(tǒng)的液態(tài)有機電解質(zhì)而產(chǎn)生的。這種高分子電解質(zhì)即可以作為傳導(dǎo)離子的媒介，又可以作為隔離膜使用，再加上與金屬鋰的反應(yīng)性極低，因此有效避免了鋰離子電池的容易燃燒和容易漏液的現(xiàn)象。并且由于鋰離子聚合物電池是將液態(tài)有機電解質(zhì)吸附在一種聚合物基質(zhì)上，被稱作膠態(tài)電解質(zhì)，這種電解質(zhì)既不是游離電解質(zhì)也不是固體電解質(zhì)，從而使得鋰鋰子聚合物電池不僅具有液態(tài)鋰離子電池的優(yōu)良性能，還可以制成任意形狀和尺寸，超薄型產(chǎn)品，使得其適用范圍廣，發(fā)展前景好。另外安全性比鋰離子電池好，使用中如果發(fā)熱，只會產(chǎn)生臌脹或者燃燒而不會爆炸。

　　磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次磷酸鐵鋰電池，而磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)壽命達到2000次以上，標準充電（5小時率）使用，可達到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”，最多也就1~1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，將達到7~8年。綜合考慮，性能價格比將為鉛酸電池的4倍以上。

　　另外聚合物鋰電池（3.7v）重量輕，電壓比磷酸鐵鋰（3.2v）高。耐高溫系數(shù)比磷酸鐵鋰要低。