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鋰離子電知識(shí)

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瀏覽:- 發(fā)布日期:2018-08-04 19:23:51【

采用含有鋰元素的材料作為電極的電池。它是現(xiàn)代高性能電池的代表。

名詞簡介

鋰離子電池是一種充電電池,它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中,Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌:充電池時(shí),Li+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反。

鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆:

(1)鋰電池:存在鋰單質(zhì)。

(2)鋰離子聚合物電池:用多聚物取代液態(tài)有機(jī)溶劑。

組成部分

鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列:

(1)正極——活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰,現(xiàn)在又出現(xiàn)了鎳鈷錳酸鋰材料,電動(dòng)自行車則用磷酸鐵鋰,導(dǎo)電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

(2)隔膜——一種特殊的復(fù)合膜,可以讓離子通過,但卻是電子的絕緣體。

(3)負(fù)極——活性物質(zhì)為石墨,或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳,導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

(4)有機(jī)電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,聚合物的則使用凝膠狀電解液。

(5)電池外殼——分為鋼殼(現(xiàn)在方型很少使用)、鋁殼、鍍鎳鐵殼(圓柱電池使用)、鋁塑膜(軟包裝)等,還有電池的蓋帽,也是電池的正負(fù)極引出端。

作用機(jī)理

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)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(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌(習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負(fù)極用插入或脫插表示)。在充放電過程中,鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插,被形象地稱為“搖椅電池”。

工作狀態(tài)和效率

鋰離子電池能量密度大,平均輸出電壓高。自放電小,好的電池,每月在2%以下(可恢復(fù))。沒有記憶效應(yīng)。工作溫度范圍寬為-20℃~60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%,而且輸出功率大。使用壽命長。不含有毒有害物質(zhì),被稱為綠色電池。

充電

充電是電池重復(fù)使用的重要步驟,鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段:恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。恒流快充階段,電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓,隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段,電壓不再升高以確保不會(huì)過充,電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到設(shè)定的值,而最終完成充電。電量統(tǒng)計(jì)芯片通過記錄放電曲線可以抽樣計(jì)算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后,放電曲線會(huì)發(fā)生改變,鋰離子電池雖然不存在記憶效應(yīng),但是充、放電不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響電池性能。

充電注意事項(xiàng)

鋰離子電池過度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷,而塌陷會(huì)造成充電過程中鋰離子無法插入;過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu),而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

充電量等于充電電流乘以充電時(shí)間,在充電控制電壓一定的情況下,充電電流越大(充電速度越快),充電電量越小。電池充電速度過快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng),同樣會(huì)造成電池容量不足,實(shí)際是電池的部分電極活性物質(zhì)沒有得到充分反應(yīng)就停止充電,這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

放電

第一次充放電,如果時(shí)間能較長(一般3至4小時(shí)足夠),那么可以使電極盡可能多的達(dá)到最高氧化態(tài)(充足電),放電(或使用)時(shí)則強(qiáng)制放到規(guī)定的電壓、或直至自動(dòng)關(guān)機(jī),如此能激活電池使用容量。

但在鋰離子電池的平常使用中,不需要如此操作,可以隨時(shí)根據(jù)需要充電,充電時(shí)既不必要一定充滿電為止,也不需要先放電。像首次充放電那樣的操作,只需要每隔3至4個(gè)月進(jìn)行連續(xù)的1至2次即可。

化學(xué)解析

概述:和所有化學(xué)電池一樣,鋰離子電池也由三個(gè)部分組成:正極、負(fù)極和電解質(zhì)。電極材料都是鋰離子可以嵌入(插入)/脫嵌(脫插)的。

正極:正極材料,如上文所述,可選的正極材料很多,目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對(duì)照:

正極材料
平均輸出電壓
能量密度
LiCoO2
3.7V
140mAh/g
LiMn2O4
3.7V
100mAh/g
LiFePO4
3.2V
130mAh/g
Li2FePO4F
3.6V
115mAh/g

正極反應(yīng):放電時(shí)鋰離子嵌入,充電時(shí)鋰離子脫嵌。充電時(shí):LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+xe放電時(shí):Li1-xFePO4+xLi+xe→LiFePO4

負(fù)極:負(fù)極材料,多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。

負(fù)極反應(yīng):放電時(shí)鋰離子脫插,充電時(shí)鋰離子插入。充電時(shí):xLi+xe+6C→LixC6放電時(shí):LixC6→xLi+xe+6C

電解質(zhì)溶液

溶質(zhì):常采用鋰鹽,如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。溶劑:由于電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓,因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑,如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機(jī)溶劑常常在充電時(shí)破壞石墨的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其剝脫,并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solidelectrolyteinterphase,SEI)導(dǎo)致電極鈍化。有機(jī)溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。

主要優(yōu)點(diǎn)

(1)電壓高:單體電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8V(磷酸鐵鋰的是3.2V),是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍。

(2)比能量大:目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右,即材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量(3至4倍于Ni-Cd,2--3倍于Ni-MH),已接近于其理論值的約88%。

(3)循環(huán)壽命長:一般均可達(dá)到500次以上,甚至1000次以上,磷酸鐵鋰的可以達(dá)到2000次以上。對(duì)于小電流放電的電器,電池的使用期限,將倍增電器的競爭力。

(4)安全性能好:無公害,無記憶效應(yīng)。作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域:Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素:部分工藝(如燒結(jié)式)的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”,嚴(yán)重束縛電池的使用,但Li-ion根本不存在這方面的問題。

(5)自放電小:室溫下充滿電的Li-ion儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為2%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。

(6)可快速充放電:1C充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上,現(xiàn)在磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到標(biāo)稱容量的90%。

(7)工作溫度范圍高,工作溫度為-25~45°C,隨著電解液和正極的改進(jìn),期望能擴(kuò)寬到-40~70°C。

鋰離子電池的使用

(1)如何為新電池充電

在使用鋰電池中應(yīng)注意的是,電池放置一段時(shí)間后則進(jìn)入休眠狀態(tài),此時(shí)容量低于正常值,使用時(shí)間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活,只要經(jīng)過3—5次正常的充放電循環(huán)就可激活電池,恢復(fù)正常容量。由于鋰電池本身的特性,決定了它幾乎沒有記憶效應(yīng)。因此用戶手機(jī)中的新鋰電池在激活過程中,是不需要特別的方法和設(shè)備的。

對(duì)于鋰電池的“激活”問題,眾多的說法是:充電時(shí)間一定要超過12小時(shí),反復(fù)做三次,以便激活電池。這種“前三次充電要充12小時(shí)以上”的說法,明顯是從鎳電池(如鎳鎘和鎳氫)延續(xù)下來的說法。所以這種說法,可以說一開始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區(qū)別,而且可以非常明確的告訴大家,我所查閱過的所有嚴(yán)肅的正式技術(shù)資料都強(qiáng)調(diào)過充和過放電會(huì)對(duì)鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)方法充電,特別是不要進(jìn)行超過12個(gè)小時(shí)的超長充電(充電器顯示充滿即可)。

此外,鋰電池或充電器在電池充滿后都會(huì)自動(dòng)停充,并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)10幾小時(shí)的“涓流”充電。也就是說,如果你的鋰電池在充滿后,放在充電器上也是白充。而我們誰都無法保證電池的充放電保護(hù)電路的特性永不變化和質(zhì)量的萬無一失,所以你的電池將長期處在危險(xiǎn)的邊緣徘徊。這也是我們反對(duì)長充電的另一個(gè)理由。

此外,不可忽視的另外一個(gè)方面就是鋰電池同樣也不適合過放電,過放電對(duì)鋰電池同樣也很不利。

(2)正常使用中應(yīng)該何時(shí)開始充電

經(jīng)??梢砸姷竭@種說法,因?yàn)槌浞烹姷拇螖?shù)是有限的,所以應(yīng)該將手機(jī)電池的電盡可能用光再充電,其實(shí)鋰電池的壽命與這無關(guān)。下面可以舉例一個(gè)關(guān)于鋰離子電池充放電循環(huán)的實(shí)驗(yàn)表,關(guān)于循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)列出如下:

循環(huán)壽命(10%DOD):>1000次

循環(huán)壽命(100%DOD):>200次

其中DOD是放電深度的英文縮寫。從表中可見,可充電次數(shù)和放電深度有關(guān),10%DOD時(shí)的循環(huán)壽命要比100%DOD的要長很多。當(dāng)然如果折合到實(shí)際充電的相對(duì)總?cè)萘浚?0%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充放電還是要比較好一些,但前面網(wǎng)友的那個(gè)說法要做一些修正:在正常情況下,你應(yīng)該有保留地按照電池剩余電量用完再充的原則充電,但假如你的電池在你預(yù)計(jì)第2天不可能堅(jiān)持整個(gè)白天的時(shí)候,就應(yīng)該及時(shí)開始充電,當(dāng)然你如果愿意背著充電器到辦公室又當(dāng)別論。

電池剩余電量用完再充的原則并不是要你走向極端。和長充電一樣流傳甚廣的一個(gè)說法,就是“盡量把電池的電量用完”。這種做法其實(shí)只是鎳電池上的做法,目的是避免記憶效應(yīng)發(fā)生,不幸的是它也在鋰電池上流傳之今。曾經(jīng)有人因?yàn)槭謾C(jī)電池電量過低的警告出現(xiàn)后,仍然不充電繼續(xù)使用一直用到自動(dòng)關(guān)機(jī)的例子。結(jié)果這個(gè)例子中的手機(jī)在后來的充電及開機(jī)中均無反應(yīng),不得不送客服檢修。這其實(shí)就是由于電池因過度放電而導(dǎo)致電壓過低,以至于不具備正常的充電和開機(jī)條件造成的。

個(gè)人建議手機(jī)鋰離子電池不要充得太滿也不要用到?jīng)]電,電池沒用完電就充電,不會(huì)對(duì)電池造成傷害,充電以2-3小時(shí)以內(nèi)為宜,不一定非要充滿。但應(yīng)該每隔3至4個(gè)月左右,對(duì)鋰電池進(jìn)行1--2次完全的充滿電(正常充電時(shí)間)和放完電。

長期不用的鋰電池,應(yīng)該存放在陰涼偏干燥的地方,以半電狀態(tài)(滿電電量的70--80%,假如你的手機(jī)滿電時(shí)顯示4格,那么3格即可)最好,滿電存放有危險(xiǎn)且電池會(huì)有損害,無電存放電池會(huì)被破壞。每隔3至6個(gè)月,檢查一次是否要補(bǔ)充電。

鋰離子電池按電解液分可以分成液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池,聚合物鋰離子電池的電解液是膠體,不會(huì)流動(dòng),所以不存在泄漏問題,更加安全。

保養(yǎng)須知

充電時(shí)不得高于最大充電電壓,放電時(shí)不得低于最小工作電壓。

無論任何時(shí)間鋰離子電池都必須保持最小工作電壓以上,低電壓的過放或自放電反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鋰離子活性物質(zhì)分解破壞,并不一定可以還原。

鋰離子電池任何形式的過充都會(huì)導(dǎo)致電池性能受到嚴(yán)重破壞,甚至爆炸。鋰離子電池在充電過程必需避免對(duì)電池產(chǎn)生過充。

不要經(jīng)常深放電、深充電。不過,每經(jīng)歷約30個(gè)充電周期后,電量檢測(cè)芯片會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一次深放電、深充電,以準(zhǔn)確評(píng)估電池的狀態(tài)。

避免高溫,輕則縮短壽命,嚴(yán)重者可引發(fā)爆炸。如有條件可儲(chǔ)存于冰箱。筆記本電腦如果正在使用交流電,請(qǐng)拔除鋰離子電池條,以免受到電腦產(chǎn)熱的影響。

避免凍結(jié),但多數(shù)鋰離子電池電解質(zhì)溶液的冰點(diǎn)在-40℃,不容易凍結(jié)。

如果長期不用,請(qǐng)以40%~60%的充電量儲(chǔ)存。電量過低時(shí),可能因自放電導(dǎo)致過放。

由于鋰離子電池不使用時(shí)也會(huì)自然衰老,因此,購買時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要量選購,不宜過多購入

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    【本文標(biāo)簽】:電池 電池技術(shù)
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