名词简介
锂离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。
锂离子电池容易与下面两种电池混淆:
(1)锂电池:存在锂单质。
(2)锂离子聚合物电池:用多聚物取代液态有机溶剂。
组成部分
钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列:
(1)正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,现在又出现了镍钴锰酸锂材料,电动自行车则用磷酸铁锂,导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。
(2)隔膜——一种特殊的复合膜,可以让离子通过,但却是电子的绝缘体。
(3)负极——活性物质为石墨,或近似石墨结构的碳,导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。
(4)有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂,聚合物的则使用凝胶状电解液。
(5)电池外壳——分为钢壳(现在方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等,还有电池的盖帽,也是电池的正负极引出端。
作用机理
锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。
工作状态和效率
锂离子电池能量密度大,平均输出电压高。自放电小,好的电池,每月在2%以下(可恢复)。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃~60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%,而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质,被称为绿色电池。
充电
充电是电池重复使用的重要步骤,锂离子电池的充电过程分为两个阶段:恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。恒流快充阶段,电池电压逐步升高到电池的标准电压,随后在控制芯片下转入恒压阶段,电压不再升高以确保不会过充,电流则随着电池电量的上升逐步减弱到设定的值,而最终完成充电。电量统计芯片通过记录放电曲线可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次使用后,放电曲线会发生改变,锂离子电池虽然不存在记忆效应,但是充、放电不当会严重影响电池性能。
充电注意事项
锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。
充电量等于充电电流乘以充电时间,在充电控制电压一定的情况下,充电电流越大(充电速度越快),充电电量越小。电池充电速度过快和终止电压控制点不当,同样会造成电池容量不足,实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电,这种充电不足的现象随着循环次数的增加而加剧。
放电
第一次充放电,如果时间能较长(一般3至4小时足够),那么可以使电极尽可能多的达到最高氧化态(充足电),放电(或使用)时则强制放到规定的电压、或直至自动关机,如此能激活电池使用容量。
但在锂离子电池的平常使用中,不需要如此操作,可以随时根据需要充电,充电时既不必要一定充满电为止,也不需要先放电。像首次充放电那样的操作,只需要每隔3至4个月进行连续的1至2次即可。
化学解析
概述:和所有化学电池一样,锂离子电池也由三个部分组成:正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。
正极:正极材料,如上文所述,可选的正极材料很多,目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照:
正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。充电时:LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+xe放电时:Li1-xFePO4+xLi+xe→LiFePO4
负极:负极材料,多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。
负极反应:放电时锂离子脱插,充电时锂离子插入。充电时:xLi+xe+6C→LixC6放电时:LixC6→xLi+xe+6C
电解质溶液
溶质:常采用锂盐,如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。溶剂:由于电池的工作电压远高于水的分解电压,因此锂离子电池常采用有机溶剂,如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构,导致其剥脱,并在其表面形成固体电解质膜(solidelectrolyteinterphase,SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。
主要优点
(1)电压高:单体电池的工作电压高达3.7-3.8V(磷酸铁锂的是3.2V),是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍。
(2)比能量大:目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右,即材料能达到150mAh/g以上的比容量(3至4倍于Ni-Cd,2--3倍于Ni-MH),已接近于其理论值的约88%。
(3)循环寿命长:一般均可达到500次以上,甚至1000次以上,磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的电器,电池的使用期限,将倍增电器的竞争力。
(4)安全性能好:无公害,无记忆效应。作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域:Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素:部分工艺(如烧结式)的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”,严重束缚电池的使用,但Li-ion根本不存在这方面的问题。
(5)自放电小:室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。
(6)可快速充放电:1C充电30分钟容量可以达到标称容量的50%以上,放电可以提供支持大电流3C/5C高倍率放电。
(7)工作温度范围高,工作温度为-25~45°C,随着电解液和正极的改进,期望能扩宽到-40~70°C。
责任编辑人:CC
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