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鋰離子電池
發(fā)布時(shí)間：2023-02-24 11:26:36 閱讀：次
鋰是鋰離子電池的核心，它是最輕的金屬元素，金屬鋰的比重只有水的一半，鋁是較輕的金屬，鋰的比重只有鋁的五分之一。鋰的電負(fù)性是所有金屬中最負(fù)的，鋰離子的還原電位高達(dá)-3V。根據(jù)計(jì)算，1克鋰轉(zhuǎn)化為鋰離子時(shí)所能得到的電荷數(shù)為3860mAh，加之它的大于3V的工作電壓，鋰作為電池的負(fù)極材料當(dāng)之無(wú)愧輕量級(jí)的大力士。
早期負(fù)極為金屬鋰的“鋰電池”，但金屬鋰的化學(xué)活性太大，充電時(shí)產(chǎn)生的枝晶會(huì)使電池短路，目前尚未真正解決其安全問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索、研究，發(fā)現(xiàn)鋰可與許多金屬形成合金，其活性要小許多，更奇妙的是鋰可以在許多層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)中可逆地嵌入和脫出。鋰以這些材料為載體就安全多了。
鋰離子電池的未來(lái)將發(fā)展新的正負(fù)極材料， 如部分動(dòng)力電池：負(fù)極LiC+正極LiMn2O4鋰聚合物電池。在正、負(fù)電極粘結(jié)劑、電解質(zhì)三者中任何一種使用高分子聚合物的鋰離子電池就可以成為鋰聚合物電池。現(xiàn)在常見的是使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質(zhì)的鋰聚合物電池。
1.鋰離子電池簡(jiǎn)介
• 正極采用鋰化合物L(fēng)iXCoO2、LiXNiO2 、LiFePO4或LiXMnO2
• 負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。
• 電解質(zhì)為溶解有鋰鹽LiPF6 、 LiAsF6等有機(jī)溶液。
充電池時(shí)，此時(shí)正極上的電子從通過(guò)外部電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。
放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實(shí)是在外電路加一個(gè)可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實(shí)質(zhì)都是在電池正負(fù)極加一個(gè)電阻讓電子通過(guò)。由此可知，只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會(huì)放電。電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路不同，放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。
離子電池又稱為“搖椅電池”，是指以可供鋰離子嵌入脫嵌的物質(zhì)作為正、負(fù)極的二次電池。電解質(zhì)一般采用溶解有鋰鹽的有機(jī)溶液，根據(jù)所用電解質(zhì)的狀態(tài)，可分為液態(tài)鋰離子電池、聚合物鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池。
2.鋰離子電池的工作原理
一個(gè)鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，外加正負(fù)極引線，安全閥，PTC（正溫度控制端子），電池殼等。雖然鋰離子電池種類繁多，但其工作原理大致相同。充電時(shí)，鋰離子從正極材料中脫嵌，經(jīng)過(guò)隔膜和電解液，嵌入到負(fù)極材料中，放電以相反過(guò)程進(jìn)行。以典型的液態(tài)鋰離子為例，當(dāng)以石墨為負(fù)極材料，以LiCoO2為正極材料時(shí)，其充放電原理為：
• 正極反應(yīng)：LiCoO2== Li1-xCoO2+ xLi+ + xe-
• 負(fù)極反應(yīng)：6C + xLi++ xe- == LixC6
• 電池總反應(yīng)：LiCoO2 + 6C ==Li1-xCoO2 + LixC6
• 放電時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。
充電時(shí)，Li+從LiCoO2中發(fā)生脫嵌，釋放一個(gè)電子，C3+被氧化為C4 +，與此同時(shí)，Li+經(jīng)過(guò)隔膜和電解液遷移到負(fù)極石墨表面，進(jìn)而插入到石墨結(jié)構(gòu)中，石墨結(jié)構(gòu)同時(shí)得到一個(gè)電子，形成鋰—碳層間化合物L(fēng)ixC6，放電時(shí)過(guò)程則相反，Li+從石墨結(jié)構(gòu)脫插，嵌入到正極LiCoO2中。
3.鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)
（1）能量密度高，輸出功率大。
（2）平均輸出電壓高(約3.6V)，為Ni-Cd、Ni-MH電池的三倍。
（3）工作溫度范圍寬，一般能在-20-45℃，期望值為-40-70℃。
（4）無(wú)記憶效應(yīng)。
（5）可快速充放電，充放電效率高，可達(dá)100%。
（6）沒(méi)有環(huán)境污染，稱為綠色電池。
（7）使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)12000次左右。
早期負(fù)極為金屬鋰的“鋰電池”，但金屬鋰的化學(xué)活性太大，充電時(shí)產(chǎn)生的枝晶會(huì)使電池短路，目前尚未真正解決其安全問(wèn)題。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索、研究，發(fā)現(xiàn)鋰可與許多金屬形成合金，其活性要小許多，更奇妙的是鋰可以在許多層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)中可逆地嵌入和脫出。鋰以這些材料為載體就安全多了。
鋰離子電池的未來(lái)將發(fā)展新的正負(fù)極材料， 如部分動(dòng)力電池：負(fù)極LiC+正極LiMn2O4鋰聚合物電池。在正、負(fù)電極粘結(jié)劑、電解質(zhì)三者中任何一種使用高分子聚合物的鋰離子電池就可以成為鋰聚合物電池。現(xiàn)在常見的是使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質(zhì)的鋰聚合物電池。
1.鋰離子電池簡(jiǎn)介
• 正極采用鋰化合物L(fēng)iXCoO2、LiXNiO2 、LiFePO4或LiXMnO2
• 負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。
• 電解質(zhì)為溶解有鋰鹽LiPF6 、 LiAsF6等有機(jī)溶液。
充電池時(shí)，此時(shí)正極上的電子從通過(guò)外部電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。
放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實(shí)是在外電路加一個(gè)可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實(shí)質(zhì)都是在電池正負(fù)極加一個(gè)電阻讓電子通過(guò)。由此可知，只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會(huì)放電。電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路不同，放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。
離子電池又稱為“搖椅電池”，是指以可供鋰離子嵌入脫嵌的物質(zhì)作為正、負(fù)極的二次電池。電解質(zhì)一般采用溶解有鋰鹽的有機(jī)溶液，根據(jù)所用電解質(zhì)的狀態(tài)，可分為液態(tài)鋰離子電池、聚合物鋰離子電池和全固態(tài)鋰離子電池。
2.鋰離子電池的工作原理
一個(gè)鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，外加正負(fù)極引線，安全閥，PTC（正溫度控制端子），電池殼等。雖然鋰離子電池種類繁多，但其工作原理大致相同。充電時(shí)，鋰離子從正極材料中脫嵌，經(jīng)過(guò)隔膜和電解液，嵌入到負(fù)極材料中，放電以相反過(guò)程進(jìn)行。以典型的液態(tài)鋰離子為例，當(dāng)以石墨為負(fù)極材料，以LiCoO2為正極材料時(shí)，其充放電原理為：
• 正極反應(yīng)：LiCoO2== Li1-xCoO2+ xLi+ + xe-
• 負(fù)極反應(yīng)：6C + xLi++ xe- == LixC6
• 電池總反應(yīng)：LiCoO2 + 6C ==Li1-xCoO2 + LixC6
• 放電時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。
充電時(shí)，Li+從LiCoO2中發(fā)生脫嵌，釋放一個(gè)電子，C3+被氧化為C4 +，與此同時(shí)，Li+經(jīng)過(guò)隔膜和電解液遷移到負(fù)極石墨表面，進(jìn)而插入到石墨結(jié)構(gòu)中，石墨結(jié)構(gòu)同時(shí)得到一個(gè)電子，形成鋰—碳層間化合物L(fēng)ixC6，放電時(shí)過(guò)程則相反，Li+從石墨結(jié)構(gòu)脫插，嵌入到正極LiCoO2中。
3.鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)
（1）能量密度高，輸出功率大。
（2）平均輸出電壓高(約3.6V)，為Ni-Cd、Ni-MH電池的三倍。
（3）工作溫度范圍寬，一般能在-20-45℃，期望值為-40-70℃。
（4）無(wú)記憶效應(yīng)。
（5）可快速充放電，充放電效率高，可達(dá)100%。
（6）沒(méi)有環(huán)境污染，稱為綠色電池。
（7）使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)12000次左右。