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      鋰離子電池的工作原理

      作者:????來源:????發布時間:2019-08-30 14:10????瀏覽量:

              一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的。1912年鋰金屬電池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世紀70年代時,M.S.Whittingham提出并開始研究。由于鋰金屬的化學特性非?;顫?,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環境要求非常高。所以,池長期沒有得到應用。隨著科學技術的發展,現在鋰電池已經成為了主流。

       

        鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰,并且是可以充電的??沙潆婋姵氐牡谖宕a品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制,現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。

       

        鋰電池最早期應用在心臟起搏器中。鋰電池的自放電率極低,放電電壓平緩等優點,使得植入人體的起搏器能夠長期運作而不用重新充電。鋰電池一般有高于3.0伏的標稱電壓,更適合作集成電路電源。二氧化錳電池,就廣泛用于計算器,數碼相機、手表中。

       

        為了開發出性能更優異的品種,人們對各種材料進行了研究,從而制造出前所未有的產品。

       

        1992年Sony成功開發鋰離子電池。它的實用化,使人們的移動電話、筆記本、計算器等攜帶型電子設備的重量和體積大大減小。

       

        1、1970年代??松腗.S.Whittingham采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成首個鋰電池。

       

        2、1980年,J.Goodenough發現鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。

       

        3、1982年伊利諾伊理工大學(theIllinoisInstituteofTechnology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發現鋰離子具有嵌入石墨的特性,此過程是快速的,并且可逆。與此同時,采用金屬鋰制成的鋰電池,其安全隱患備受關注,因此人們嘗試利用鋰離子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功。

       

        4、1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發現錳尖晶石是優良的正極材料,具有低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠低于鈷酸鋰,即使出現短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。

       

        5、1989年,A.Manthiram和J.Goodenough發現采用聚合陰離子的正極將產生更高的電壓。

       

        6、1991年索尼公司發布首個商用鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。

       

        7、1996年Padhi和Goodenough發現具有橄欖石結構的磷酸鹽,如磷酸鋰鐵(LiFePO4),比傳統的正極材料更具優越性,因此已成為當前主流的正極材料。

       

        隨著數碼產品如手機、筆記本電腦等產品的廣泛使用,鋰離子電池以優異的性能在這類產品中得到廣泛應用,并在逐步向其他產品應用領域發展。1998年,天津電源研究所開始商業化生產鋰離子電池。習慣上,人們把鋰離子電池也稱為鋰電池,但這兩種電池是不一樣的。鋰離子電池已經成為了主流。

       

        鋰離子電池以碳素材料為負極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌(習慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負極用插入或脫插表示)。在充放電過程中,鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插,被形象地稱為“搖椅電池”。

       

        鋰離子電池能量密度大,平均輸出電壓高。自放電小,每月在10%以下。沒有記憶效應。工作溫度范圍寬為-20℃~60℃。循環性能優越、可快速充放電、充電效率高達100%,而且輸出功率大。使用壽命長。沒有環境污染,被稱為綠色電池。

       

        作用機理

       

        鋰離子電池以碳素材料為負極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌(習慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負極用插入或脫插表示)。在充放電過程中,鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插,被形象地稱為“搖椅電池”。

       

        當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣,當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極?;卣龢O的鋰離子越多,放電容量越高。

       

        一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間,電流越大,充電越快,同時電池發熱也越大。而且,過大的電流充電,容量不夠滿,因為電池內部的電化學反應需要時間。就跟倒啤酒一樣,倒太快的話會產生泡沫,反而不滿。

       

        使用(放電)注意事項

       

        對電池來說,正常使用就是放電的過程。鋰電池放電需要注意幾點:

       

        第一,放電電流不能過大,過大的電流導致電池內部發熱,有可能會造成永久性的損害。在手機上,這個倒是沒有問題的,可以不考慮。

       

        從右圖上可以看出,電池放電電流越大,放電容量越小,電壓下降更快。

       

        第二,絕對不能過放電!鋰電池內部存儲電能是靠電化學一種可逆的化學變化實現的,過度的放電會導致這種化學變化有不可逆的反應發生,因此鋰電池最怕過放電,一旦放電電壓低于2.7V,將可能導致電池報廢。好在手機電池內部都已經裝了保護電路,電壓還沒低到損壞電池的程度,保護電路就會起作用,停止放電。

       

        鋰離子電池:是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。

       

        鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池,通常人們俗稱其為鋰電池。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極,是現代高性能電池的代表。而真正的鋰電池由于危險性大,很少應用于日常電子產品。

       

        鋰離子電池由日本索尼公司于1990年最先開發成功。它是把鋰離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負極(傳統鋰電池用鋰或鋰合金作負極)。正極材料常用LixCoO2,也用LixNiO2,和LixMnO4,電解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC)。

       

        石油焦炭和石墨作負極材料無毒,且資源充足,鋰離子嵌入碳中,克服了鋰的高活性,解決了傳統鋰電池存在的安全問題,正極LixCoO2在充、放電性能和壽命上均能達到較高水平,使成本降低,總之鋰離子電池的綜合性能提高了。預計21世紀鋰離子電池將會占有很大的市場。

       

        鋰離子二次電池充、放電時的反應式為LiCoO2+C=Li1-xCoO2+LixC[1]

       

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