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锂电池发展简史


□ 黄彦瑜

  摘 要 由于具有很高的能量密度,锂金属在1958年被引入电池领域,1970年进入锂一次电池的商业研发阶段。自1990年以来,随着正极材料、负极材料与电解质的革新,可充放二次锂电池不断发展并实现商品化。如今锂电池技术仍在继续发展并将进一步改善人类生活。文章对40多年来锂电池技术发展历程进行了简单的回顾。
  关键词锂电池,嵌入化合物,综述,技术史
  
  Brief history of the lithium battery
  
  HUANG Yan-Yu
  (Center for Social Studies of Science, Peking University, Beijing 100871,China)
  Abstract Lithium was introduced into the battery field in the 1950s due to its very high energy density. The first lithium batteries were developed in the 1970s, then rechargeable metal lithium batteries, Li-ion batteries, and polymer lithium batteries were successively developed. Since 1990 the latter two types have been commercialized successfully based on the invention of new cathode, anode and electrolyte materials. Lithium battery technologies are still being developed and will continue to improve the quality of our lives. This paper gives a brief introduction to the history of lithium batteries over the last 40 years.
  Keywords lithium battery, intercalation compound, review, history of science
  
  锂电池(Lithium Battery, 简写成LB)分为锂一次电池(又称锂原电池, Primary LB)与锂二次电池(又称锂可充电电池, Rechargeable LB)。锂原电池通常以金属锂或者锂合金为负极,用MnO2,SOCl2,(CF)n等材料为正极。锂二次电池研发分为金属锂二次电池、锂离子电池与锂聚合物电池三个阶段。
  锂原电池的研究开始于20世纪50年代,在70年代实现了军用与民用。后来基于环保与资源的考虑,研究重点转向可反复使用的二次电池。锂金属二次电池研究只比锂原电池晚了十年,它在80年代推出市场。但由于安全性等问题,除以色列Tadiran电池公司和加拿大的Hydro Quebec公司仍在研发外,锂金属二次电池发展基本处于停顿状态。
  锂离子电池(Li-ion Battery, LIB)的设计贯彻了全新的电池概念。一般来讲,普通电池的工作原理大都基于“氧化-还原反应”;而锂离子电池原理除“氧化-还原”以外,还基于电化学嵌入/脱嵌反应。在两极形成的电压降的驱动下,锂离子(Li+)可以从电极材料提供的“空间”(如图1锂宿主1提供的“空穴”和锂宿主2提供的“夹层空间”)中“嵌入”或者“脱嵌”,在充放电过程中,锂离子在正负极间定向的移动,如图1所示[1]。由于“嵌入与脱嵌”并没有造成电极材料晶格结构的变化,反应具有良好的可逆性。这让锂离子电池具有一般高能量密度可充电电池所不具备的高循环寿命。
  
  事实上,这个概念早在上世纪80年代初就提出了,但概念的最终实现历时十年之久。1991年6月,日本索尼公司推出第一块商品化锂离子电池[2],标志着电池工业的一次革命,有人甚至将它同1940—1950年代晶体管取代电子管的半导体革命相提并论。
  
  锂聚合物电池的发展先后经历“锂固体聚合物电解质电池”(Li SPE Battery)与“锂离子凝胶聚合物电解质电池”(Li-ion GPE Battery)两个阶段。后者在1994年出现,并在1999年实现商品化。锂电池的发展历程可以用图2来表示。
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