鉅大LARGE | 點擊量:1659次 | 2019年08月26日
一文解析鋰電池工作原理及應用
鋰電池,是早期由愛迪生發明的一種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,其工作原理為一種Li+MnO2=LiMnO2的氧化還原反應。由于鋰金屬的化學特性非常活潑,使得其長期沒有得到廣泛應用,但現在隨著科學技術的高速發展,鋰電池逐漸成為主流。
鋰電池的發展階段
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。
鋰電池的分類
1、按鋰電池的外型分:方型鋰電池(如常用的手機電池電芯)和柱形鋰電池(如18650);
2、按鋰電池外包材料分:鋁殼鋰電池,鋼殼鋰電池,軟包電池;
3、按鋰電池正負極材料(添加劑)分:沽酸鋰(LiCoO2)電池或錳酸鋰(LiMn2O4),磷酸鐵鋰電池,一次性二氧化錳鋰電池;另一種分法:鋰離子LIB,聚合物pLB
4、不同的性能用途方面分:
一次性鋰電池---鋰錳電池--扣式3伏電池
高容量(高平臺)鋰電池--用在手機數碼產品上
高倍率鋰電池;---用在電動車和電動工具上及飛機模型
高溫鋰電池;---礦燈,室上燈飾,機器內置后備電源;
低溫鋰電池;---室外環境,北方(冬天)南極;
5、鋰電池還分成兩類:不可充電的和可充電兩類。
鋰電池的結構
鋰電池在結構上主要有五大塊:正極、負極、電解液、隔膜、外殼與電極引線。
目前較為常用的鋰電池材料有鈷酸鋰、鎳酸鋰以及錳酸鋰。用得最多的材料是鈷酸鋰,循環性能好,制造也方便,缺點是鈷化合物價格較貴。鎳酸鋰的因為性質不穩定,制造困難,通常用得較多的是鈷酸鋰摻雜鎳的化合物,又稱鎳鈷酸鋰。錳酸鋰也是非常好的材料,在高溫下錳酸鋰的衰減比較快等諸多原因,目前應用多數還停留在實驗室階段。
鋰電池的結構主要分卷繞式和層疊式兩大類。液態鋰電池采用卷繞結構,聚合物鋰電池則兩種都有。卷繞式將正極膜片、隔膜、負極膜片依次放好,卷繞成圓柱形或扁柱形,主要以SANYO、TOSHIBA、SONY、ATL為代表。層疊式則將正極、隔膜、負極、隔膜、正極這樣的方式多層堆疊。將所有正極焊接在一起引出,負極也焊成一起引出,主要以ATL為代表。
鋰電池工作原理
1、充電時
在電場的驅動下鋰離子從正極晶格中脫出,經過電解質,嵌入到負極晶格中。
充電開始時,應先檢測待充電電池的電壓,如果電壓低于3V,要先進行預充電,充電電流為設定電流的1/10,一般選0.05C左右。電壓升到3V后,進入標準充電過程。標準充電過程為:以設定電流進行恒流充電,電池電壓升到4.20V時,改為恒壓充電,保持充電電壓為4.20V。此時,充電電流逐漸下降,當電流下降至設定充電電流的1/10時,充電結束。
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。
術語解釋:充放電電流一般用C作參照,C是對應電池容量的數值。電池容量一般用Ah、mAh表示,如M8的電池容量1200mAh,對應的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。
下面是鋰電池典型充電曲線圖:
2、放電時
過程正好相反鋰離子返回正極,電子通過用電器由外電路到達正極與鋰離子復合。
從典型放電曲線圖上可以看出,電池放電電流越大,放電容量越小,電壓下降更快。
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