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鋰電池的起源和原理

鉅大LARGE  |  點擊量:1003次  |  2022年08月05日  

鋰電池”,是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電池。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提出并開始研究鋰離子電池。由于鋰金屬的化學特性非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環境要求非常高。所以,鋰電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。可充電電池的第五代產品鋰金屬電池在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。


鋰金屬電池:


鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。


鋰電池基本原理

過針刺 低溫防爆18650 2200mah
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

鋰電池基本原理


放電反應:Li+MnO2=LiMnO2


鋰離子電池:


鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。


充電正極上發生的反應為

無人船智能鋰電池
IP67防水,充放電分口 安全可靠

標稱電壓:28.8V
標稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應用領域:勘探測繪、無人設備

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)


充電負極上發生的反應為


6C+XLi++Xe-=LixC6


充電電池總反應:LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6


正極


正極材料:可選的正極材料很多,主流產品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照:


LiCoO2


3.7V


140mAh/g


Li2Mn2O4


4.0V


100mAh/g


LiFePO4


3.3V


100mAh/g


Li2FePO4F


3.6V


115mAh/g


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


負極


負極材料:多采用石墨。新的研究發現鈦酸鹽可能是更好的材料。


負極反應:放電時鋰離子脫嵌,充電時鋰離子嵌入。


充電時:xLi++xe-+6C→LixC6


放電時:LixC6→xLi++xe-+6C


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年代埃克森的M.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。

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