好词好句 > 锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池

锂离子电池:是一种二次电池(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。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极,是现代高性能电池的代表。

锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池,而真正的锂电池由于危险性大,很少应用于日常电子产品。

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

重视短路情况

关于锂离子电池的安全问题,请各位朋友重视。锂离子电池在充电过程中很容易发生短路情况。

虽然现在大多数锂离子电池都带有防短路的保护电路,还有防爆线。但很多情况下,这个电路在各种情况下,不一定会起作用。防爆线能起的作用也很有限。

充电不要过充

所有的锂离子电池,无论是以前研制的,还是最近这些年研制的聚合物锂离子电池、锂铁电池等等,都非常害怕过充。

锂离子电池如果充电时间过长,发生的爆炸的可能性就会加大。

锂的化学性质非常活泼,很容易燃烧,当电池充放电时,电池内部持续升温,活化过程中所产生的气体膨胀,使电池内压加大。压力达到一定程度,如外壳有伤痕,即会破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸。

所以,大家在使用锂离子电池的时候要非常注意安全。

早期的锂电池

锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前,先介绍锂电池。举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂结晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

炭材料锂电池

后来,日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

摇椅式电池

我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。

1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。

1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,此过程是快速的,并且可逆。与此同时,采用金属锂制成的锂电池,其安全隐患备受关注,因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池,至今仍是便携电子器件的主要电源。

1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸铁锂(LiFePO4),比传统的正极材料更具安全性,尤其耐高温,耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。

(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,电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂(俗称三元)或者三元+少量锰酸锂,纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔

(2)隔膜一种经特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,可以让锂离子自由通过,而电子不能通过。

(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

当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间,电流越大,充电越快,同时电池发热也越大。而且,过大的电流充电,容量不够满,因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样,倒太快的话会产生泡沫,反而不满。

二氧化锰电池

锂-二氧化锰电池是一种以锂为阳极(负极)、以二氧化锰为阴极(正极),并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高,额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍);终止放电电压为2V;比能量大(金属锂的理论克容量为3074mAh);放电电压稳定可靠;有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤10%);工作温度范围-20℃~+60℃。

该电池可以做成不同的外形以满足不同要求,它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。

亚硫酰氯电池

该类电池的比能量是所有商业化电池中最高的,放电电压特别平稳,一般用于不能经常维护的电子设备、仪器上,应用领域很窄。

锂离子电池

可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池,但它较为“娇气”,在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此,在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。锂离子电池充电要求很高,要保证终止电压精度在±1%之内,目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC,以保证安全、可靠、快速地充电。

现在手机已十分普遍,基本上都是使用锂离子电池。正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式,并且有由几个电池串联并联在一起组成的电池组。锂离子电池的额定电压,因为近年材料的变化,一般为3.7V,磷酸铁锂(以下称磷铁)正极的则为3.2V。充满电时的终止充电电压一般是4.2V,磷铁3.65V。锂离子电池的终止放电电压为2.75V~3.0V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同,一般为3.0V,磷铁为2.5V)。低于2.5V(磷铁2.0V)继续放电称为过放,过放对电池会有损害。

钴酸锂类型材料为正极的锂离子电池不适合用作大电流放电,过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量),并可能发生危险;但现在研发的磷酸铁锂正极材料锂电池,可以以20C甚至更大(C是电池的容量,如C=800mAh,1C充电率即充电电流为800mA)的大电流进行充放电,特别适合电动车使用。因此电池生产工厂给出最大放电电流,在使用中应小于最大放电电流。锂离子电池对温度有一定要求,工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围,过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议,并要求有限流电路以免发生过流(过热)。一般常用的充电倍率为0.25C~1C。在大电流充电时往往要检测电池温度,以防止过热损坏电池或产生爆炸。

锂离子电池充电分为两个阶段:先恒流充电,到接近终止电压时改为恒压充电。例一种800mAh容量的电池,其终止充电电压为4.2V。电池以800mA(充电率为1C)恒流充电,开始时电池电压以较大的斜率升压,当电池电压接近4.2V时,改成4.2V恒压充电,电流渐降,电压变化不大,到充电电流降为1/10-50C(各厂设定值不一,不影响使用)时,认为接近充满,可以终止充电(有的充电器到1/10C后启动定时器,过一定时间后结束充电)。锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时,会造成电池的损坏或降低使用寿命。

2013年1月到5月,国内锂离子电池的总产量为16.21亿支,同比增长14.13%,增长态势平稳。从单月的情况看,其中5月的单月产量为3.68亿支,同比增长24.26%,增速还不错 。由于接下来的7月是淡季,预计行业难有特别的表现,但是行业在9、10月份新的旺季的表现仍然可以期待一下,我们预计国内锂电行业全年的产销情况要好于2012年,有望实现稳定增长。

锂离子电池需求情况重点考察手机和笔记本两大下游的情况。2013年前5个月国内的手机总产量为5.58亿部,同比增长22.02%,其中5月产量为1.23亿部,同比增长32.80%。手机市场的需求情况较好。同期,国内笔记本计算机的总产量为9526.38万台,同比增长3.86%,其中5月产量为1756.34万台,同比减少8.12%。笔记本市场的总体表现比较一般。鉴于手机市场的较好表现,我们认为2013年全年锂电池行业的需求有望总体维持稳定增长。

我国首部锂离子电池强制标准于2015年8月1号正式实施。

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”。

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。

第一次充放电,如果时间能较长(一般3--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。象首次充放电那样的操作,只需要每隔3--4个月进行连续的1--2次即可。

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:

正极材料 平均输出电压 能量密度

LiCoO? 3.7 V 140 mAh/g

LiMn?O? 3.7 V 100 mAh/g

LiFePO? 3.2 V 130 mAh/g

Li2FePO?F 3.6 V 115 mAh/g

正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。充电时:LiFePO?→ Li1-xFePO? + xLi + xe 放电时:Li1-xFePO?+ xLi + xe →LiFePO?

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

大体分为以下几种

第一种是碳负极材料:目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。[4]

第二种是锡基负极材料:锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。目前没有商业化产品。

第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料,目前也没有商业化产品。

第四种是合金类负极材料:包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金 ,目前也没有商业化产品。

第五种是纳米级负极材料:纳米碳管、纳米合金材料。

第六种纳米材料是纳米氧化物材料:目前合肥翔正化学科技有限公司根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向,诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨,锡氧化物,纳米碳管里面,极大的提高锂电池的冲放电量和充放电次数。

溶质:常采用锂盐,如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF?)。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(solid electrolyte interphase,SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

电池涂碳铝箔(导电涂层)涂碳铝箔在锂离子电池应用中的优势

1.抑制电池极化,减少热效应,提高倍率性能;

2.降低电池内阻,并明显降低了循环过程的动态内阻增幅;

3.提高一致性,增加电池的循环寿命;

4.提高活性物质与集流体的粘附力,降低极片制造成本;

5.保护集流体不被电解液腐蚀;

6.改善磷酸铁锂、钛酸锂材料的加工性能。

导电涂层

利用功能涂层对电池导电基材进行表面处理是一项突破性的技术创新,覆碳铝箔/铜箔就是将分散好的纳米导电石墨和碳包覆粒,均匀、细腻地涂覆在铝箔/铜箔上。它能提供极佳的静态导电性能,收集活性物质的微电流,从而可以大幅度降低正/负极材料和集流之间的接触电阻,并能提高两者之间的附着能力,可减少粘结剂的使用量,进而使电池的整体性能产生显著的提升。

涂层分水性(水剂体系)和油性(有机溶剂体系)两种类型。

涂碳铝箔/铜箔的性能优势

1.显著提高电池组使用一致性,大幅降低电池组成本。如:

明显降低电芯动态内阻增幅 ;

提高电池组的压差一致性 ;

延长电池组寿命 ;

大幅降低电池组成本。显著提高电池组使用一致性

2.提高活性材料和集流体的粘接附着力,降低极片制造成本。如:

改善使用水性体系的正极材料和集电极的附着力;

改善纳米级或亚微米级的正极材料和集电极的附着力;

改善钛酸锂或其他高容量负极材料和集电极的附着力;

提高极片制成合格率,降低极片制造成本。提高活性材料和集流体的粘接附着力

涂碳铝箔与光箔的电池极片粘附力测试图

使用涂碳铝箔后极片粘附力由原来10gf提高到60gf(用3M胶带或百格刀法),粘附力显著提高。

3.减小极化,提高倍率和克容量,提升电池性能。如:

部分降低活性材料中粘接剂的比例,提高克容量;

改善活性物质和集流体之间的电接触;

减少极化,提高功率性能。减小极化,提高倍率和克容量

不同铝箔的电池倍率性能图

其中C-AL为涂碳铝箔,E-AL为蚀刻铝箔,U-AL为光铝箔

4.保护集流体,延长电池使用寿命。如:

防止集流极腐蚀、氧化;

提高集流极表面张力,增强集流极的易涂覆性能;

可替代成本较高的蚀刻箔或用更薄的箔材替代原有的标准箔材。

保护集流体,延长电池使用寿命不同铝箔的电池循环曲线图(200周)

其中(1)为光铝箔,(2)为蚀刻铝箔,(3)为涂碳铝箔

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

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--4倍于Ni-Cd,2--3倍于Ni-MH),已接近于其理论值的约88%。

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。

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。

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%。

1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上,现在磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。

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。

All rights reserved Powered by 好词好句 www.9512.net

copyright ©right 2010-2021。
好词好句内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@126.com