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锂离子电池 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2017-02-18

什么是锂离子电池?

首先纠正一个说法,很多人认为锂电池是锂离子电池的简称,其实这是一个误区。锂电池的真实身份是以锂金属为负极的一次电池(不可充电电池),其身世可以追溯到爱迪生,但因锂金属的化学特性非常活泼,易发生燃烧、爆炸现象,故不再广泛应用。

    后来人们用石墨作负极,含锂的化合物作正极,不存在锂金属,有效的避免了锂金属太活泼导致的危险,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嵌入碳材料的微孔中,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。

    锂离子电池按电解液不同可分为:液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。这两种锂离子电池正负极材料是相同的,其不同在于液态锂离子电池的电解液是锂盐+碳酸酯,聚合物电池的电解质是固态聚合物或凝胶聚合物。由于聚合物提纯难度大、成本高,一般应用于小型电池,如手机、笔记本电池。电动车上的动力电池多为液态锂离子电池。

    

    现代的Blue On电动车已经应用了高能聚合物锂离子电池,容量达到16.4千瓦时。聚合物锂离子电池是从液态锂离子电池基础上发展来的新一代高比能电池。聚合物锂离子电池在与液态锂离子电池相同容量情况下,具有体积更小、重量更轻、工作范围更广、寿命更长等优点,更重要的是其电解质为固态或凝胶状,不会出现液态电池电解液泄漏所造成的危险。

   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”。

    锂离子电池和所有充电电池一样,都有一个正极材料和一个负极材料,在这里正极材料是通常是锂钴氧(LiCoO2),而负极材料则有很多种,最常见的石墨(碳)。充电时锂钴氧中的锂离子会游过中间的电解质,附着在负极上,而放电(上图)时则是相反,从负极的碳游回锂钴氧这一侧。

   在一颗以石墨为负极的锂离子电池里,是用一层锂钴氧,一层装有电解质的分隔物、一层石墨为一组,一组一组的迭起来。在手机电池那种薄型电池中,里面就是这样一层一层迭起来的,而在笔电里则通常是把这一片片的材料卷成圆柱状,变成像3 号电池那样的东西。在锂离子电池中,带有最大的危险的不是两个电极,而是中间的有机电解质溶剂,以易燃的醚类最多。当电池因为任何原因短路时,电池内能量会在短时间以热的形式释放出来,点燃这些做为溶剂的醚类,引发爆炸。

    过放电时锂离子会和锂钴氧直接发生反应,产生氧化锂和氧化钴。这个反应是不可逆,所以过放电的锂离子电池就等于报销了。

    

   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--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。

 
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