聚合物电池的结构及性能
锂聚合物电池主要由正极、负极与隔离纸等构成。目前所开发的锂聚合物电池中,高分子材料主要被应用于正极及电解质。正极的材料包括有导电性高分子、有机硫磺系化合物 ,或一般锂离子二次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 负极则通常采用铿金属或铿碳层间化合物。锂聚合物电池跟现在市面上的锂离子电池来比较的话 ,锂聚合物电池在形状、充放电、信赖性与环境问题等方面都还有相当大的发展空间。在形状方面 ,铿聚合物电池具有可薄形化、可任意面积化与可任意形状化等多项优点 ,因此可以配合产品需求,做成任何形状与容量的电池。
在充放电特性方面 ,锂聚合物电池因为可以采用高分子正极材料与铿金属负极 ,其重量能量密度将会较目前的锂电子二次电池提高以上。而在信赖特性方面 ,则因为高分子锂二次电池的电解质采用高分子材料 ,不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的顾虑。目前许多厂商都已推出商品化的高分子锂二 次 电 池,而所强调 的重点都是在于其超薄的特性。一般而言 ,铿聚合物电池的厚度约为 一 ,与目前的锂离子二次电池的最小厚度 相比可至少降低50%左右 ,因此可给厂商在设计产品时提供相当大的弹性空间。
聚合物电池的优点
1.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。
2.厚度小，能做得更薄。普通液态锂电采用先定制外壳，后塞正 负极村料的方法，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。
3.重量轻。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%。
4.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。
5.内阻小 。聚合物电芯的内阻较一般液态电芯小，目前国产 以下，极大的减低了电 聚合物电芯的内阻甚至可以做到 35m 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。
6.形状可定制 。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。
7.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。
8.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。
聚合物电池的分类
（1）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，适于高温使用。
（2）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。
（3）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，其比能量是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。
聚合物电池的发展方向
1 电池的大型与厚型化
锂聚合物电池可利用曲折,堆栈或者卷绕等方法将电池的容量提高。目前锂聚合物电池可以达到的最小厚度大约为0.5mm。以A5尺 寸为例 ,厚度若增加到4mm,则 电池容量可达到 一的实用水准。因为高分子锂二次电池的体积小 ,电池的长度和宽度也可以随需要而变化 ,因此工程师可以随着产品实际可提供的空间大小来设计电池 ,并得到所要求的电源特性。
2 Biploar电池
电池可以利用电极并排的方式来增加电池的工作电压 ,但对 目前市面上的液态电解液电池来说 ,因为会造成短路的问题所以是完全不可能的。但是对于高分子锂二次电池来说 ,因为它是固态的电解质系统 ,所以可以使用这种方式来降低电池的体积和容器成本。如果能利用这种技术和前面所提的大型化 、厚型化互相配合 ,则将可以制造出各种不同电压 容量与形状的电池。
3 保护线路的简略化
目前市面上所销售的锂离子二次电池在过度充电的情形下 ,容易造成安全阀破裂而起火的情形 ,所以必须加装保护 线路以确保电池不会发生过度充电的情形。而高分子锂二次电池则因具有良好的耐充放电特性 ,因此可以不必外加保护IC线路 ,如此一来可以降低电池的制造成本。此外在充电方面 ,铿聚合物电池可 以利用定电流充电 ,整个充电时间大约只需要 ,与锂离子二次电池所采用的CCTV 充 电方式所需 的三小时比较起来 ,可 以缩短许多的等待时间。
4 能量密度提高的可能性
以上三点所提到是 目前各公司现有的锂聚合物电池已开发完成的特性 ,而未来锂聚合物电池的研发重点则会摆在提高其能量密度。目前实验中的技术包括使用锂金属作为负极和使用有机硫磺系列化合物做为正极。锂金属的容量密度可以达到 ,较铿碳层化合物高出许多。因此若能利用锂金属当负极来制造电池 ,则电池的理论容量密度可以达到3830mAh/g,较锂离子二次电池系统高出近50%左右。
但在实际使用上 ,锂金属在液态电解液充放电过程中,会在锂金属表面上产生树枝状结晶 ,因而造成充放电效率降低 ,甚至会穿破隔离纸而造成电池短路引起燃烧的严重问题。因此如何利用搭配固态或胶态高分子电解质 ,或者利用其它方法来解决这项技术问题 ,将是锂聚合物电池在研发过程中的一大挑战。硫化系化合物虽然具有高能量密度特性 ,但 目前在使用上仍有工作电压低 、作动电压倾斜、低温作动不 良、循环寿命低等多项技术上的问题急待克服。
目前研发中的硫磺系化合物正极材料包括有机硫磺化合物 、碳硫化合物与活性硫磺等。锂聚合物电池由于具有薄型化的特性 ,将可以突破 目前市面上铿离子二次电池 的厚度限制 ,预料将可广泛的应用于未来的可携式电子产品上 。
此外 ,因为锂聚合物电池所使用的电解质系统具有不漏液 ,且耐过充放电等特性 ,将可大幅提高目前电池在使用上的安全性 。当然锂聚合物电池也有缺点尚待改进 。首先目前开发出来的锂聚合物电池的能量密度仍然偏低 ,且多具有低温特性不 良的缺点。而在未来的技术展望方面 ,则必须突破使用硫磺系化合物与锂金属等高能量密度正负极材料的技术问题 ,方可达到次世代电子产品对高性能电池的高容量与低成本的要求
