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聚合物电池的结构、特点、性能及工作安全性

聚合物电池的结构

 

　图示出一种积层型锂聚合物电池的结构。这是将正极（LiCoO2）/凝胶型聚合物电解质/碳和石墨系电池组分锯齿型弯曲或叠加成平板、用铝积层包封的电池结构。
　　人们正在研究用Ni系或Mn系材料作为正极活性物的聚合物电池，但还达不到实用化水平。负极活性物是具有平坦放电电压曲线的石墨系和具有平稳放电斜率的硬碳系材料。现在问世的锂聚合物电池只有两种规格：厚度为1.5mm、容量为175mAh和携带电话用的厚度为3.6mm、容量为500mAh的电池。

　1973年，PV.Right发现了离子在高分子材料中传导的现象。1978年，M.B.Armand等人提出在电池和电子器件中可以应用固体电解质，此后，聚合物电池的开发和研究日渐活跃起来。
　　聚合物电解质大体上分为3类，即干聚合物、在干聚合物中添加有机溶剂的凝胶体聚合物和在以PVDF为代表的多孔矩阵材料中添加有机溶剂的多孔型聚合物电解质。表1示出这3种聚合物电解质的性能。最初的干聚合物的离子传导性为10－7s/cm，经过改良后，室温下的传导性达到10－4s/cm。但是，这还难以适用于常温工作的电子器件。在干聚合物中添加可塑剂的凝胶型聚合物电解质，传导性提高到10－3s/cm，向实用化迈进了一大步。
　　有些厂家使用的聚合物电解质是含有可塑剂的聚乙烯氧化物和聚丙烯氧化物随机重合制成的凝胶聚合物电解质。

锂聚合物电池的性能
　　图4示出采用恒流恒压充电的0.2CmA和0.5CmA充电量的充电特性。为了保持电池的基本性能，将充电电压的上限设定为4.1V。图5示出从0.2CmA到1CmA放电速率的放电特性。图6示出从60℃－10℃的放电特性，对比25℃下的情况，－10℃下的容量达到85％。为了保持电池的基本性能，放电电压的下限设定为27V。图7示出电池的循环试验性能。在20℃和60℃下放置28天的电池照片1日本YUASA公司生产的锂聚合物电池性能评价结果示于图8。在20℃下，电池容量保持率约为95％，与锂离子电池的性能大体相同。

 

图4锂聚合物电池的充电特性

 

图5锂聚合物电池的放电特性

 

图6锂聚合物电池的放电温度特性 

 

图7PF500174（36V、200mAh）锂聚合物
电池的寿命（循环充放电）特性 

图8锂聚合物电池的容量保持率

图9NPS－24V80电池的放电特性

 

图10各种锂电池的能量密度

锂聚合物电池的安全性
　　使用安全性是一切二次电池的重要性能。不能安全使用的电池，无论其性能怎样好，都不会为人们所欢迎。表2示出没有保护电路的锂离子电池（方型）与锂聚合物电池的安全性比较。可以看出，与液体电池比较，锂聚合物电池更安全。
 
表2锂聚合物电池与方型锂离子电池的安全性比较
（均用无保护电路的裸电池） 
 

评价项目	锂聚合物电池		锂离子电池
钉刺试验	不破裂不着火不漏液（温升不到20℃）	○	破裂冒白烟漏液（温度升到250℃）	×
热板加热（200℃）	不破裂不着火不漏液	○	破裂着火漏液	×
外部短路	不破裂不着火不漏液（温升不到20℃）	○	不破裂不着火漏液（温升100℃左右）	△
过充电	不破裂不着火不漏液（温升不到20℃）	○	破裂漏液（温升100℃左右）	×

表3示出锂聚合物电池的各种安全试验结果。电池的尺寸为74mm×54mm×2.2mm，容量为400mAh。在没有保护电路的电池中，即使进行1CmA的6小时强制性放电和充电，也没有发现电池破裂或着火。完全充电后的电池在60℃下放置2天后，用直径为3mm的钉子刺孔，在温度达到10℃左右时没有出现破裂和着火。在冲击试验中，虽然将电池分成二段，仍然没有破裂和着火。由此可见，这种锂聚合物电池比液态电解质电池的安全性更好。为了维持电池的基本性能，给这种电池设定了防止过充电电压和过放电电压。照片1是日本YUASA公司生产的锂聚合物电池的外貌。表4示出这种电池的性能规范。