鋰電池是當今能量密度最高的二次電池，能量密度提升過程有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-16 19:41
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鋰離子電池工作原理，鋰離子電池的應用。隨著手機、數(shù)碼產(chǎn)品、電動汽車的普及，鋰離子電池在人們生活當中扮演著越來越重要的角色。今天就就和小編一起來聊一聊鋰離子電池工作原理及其應用。
一項科技產(chǎn)品誕生往往會改變?nèi)藗兊纳?，為人們的生活帶來極大的便利?？赡芎芏嗳硕歼€記得，以前用過的手電筒里面的電池，那是用一根石墨棒外面包裹著碳來發(fā)電的。這種電池重量大而且還不能循環(huán)使用，處理的時候還不能扔進垃圾箱，因為它會破壞土地的生長能力。就被慢慢的淘汰了，取而代之的就是鋰電池。
鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池放電是靠化學的氧化還原反應。放電時，也就是我們在使用電池消耗電量的時候，它的正極會嵌入鋰離子，負極鋰離子落嵌。充電的時候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池產(chǎn)生電量。
1、電池充電時，Li從磷酸鐵鋰晶體內(nèi)面遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，然后嵌入石墨晶格中。與此同時，電子經(jīng)導電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔集流體，再經(jīng)導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵。
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(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內(nèi)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(chǎn)生泡沫，反而不滿。
2、電池放電時，Li從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時，電池經(jīng)導電體流向負極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經(jīng)導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。
鋰離子電池的應用
一、交通動力電源領域主要包括：電動自行車、電動摩托車、電動汽車(電動大巴/中巴車、電動特種車
二、電力儲能電源領域主要包括：大型太陽能/風能電力儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰電源、電力專用不間斷電源系統(tǒng)、一體化電源系統(tǒng)、光伏離網(wǎng)并網(wǎng)儲能電站系統(tǒng)
三、移動通信電源領域主要包括：一體化鋰電池電源、戶外一體化基站鋰電池電源、邊際網(wǎng)基站鋰電池電源、非物理站點鋰電池備電、FTTX的多種鋰電池備電、通信機樓336VHVDC數(shù)據(jù)中心備電、可再生能源基站電源、IDC機樓的鐵鋰電池儲能電站
四、新能源儲能動力電源：太陽能路燈、草坪燈、礦燈、應急燈、庭院燈、高桿燈、起動電源、電動工具、電動玩具、電動割草機，電動捕魚器等、電動模型、航模、電動機器人
五、航天軍工電源：大型艦船類動力電源、航空飛行器所用動力電源、航天載具動力電源系統(tǒng)、軍用裝甲，民用大型挖掘器械所用動力電源
鋰離子電池的安全隱患
一般來說，鋰離子電池出現(xiàn)安全問題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會導致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過了電池熱量的耗散能力，鋰離子電池就會過熱，電池材料就會發(fā)生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應和負極與粘合劑的反應等破壞性的副反應。
作為充電的鋰離子電池，鋰電池輸出電壓穩(wěn)定、輸出電壓高、性能穩(wěn)定、容量大、使用壽命長、工作溫度范圍廣、安全性好以及環(huán)保無污染，因此在未來鋰電池發(fā)展道路上具有很大的上升空間，但還需不斷研究以求達到改善其自身缺陷的目的。
眾所周知，電池的能量密度和壽命是兩個最重要的評價指標，而鋰電池又是當今能量密度最高的二次電池。但作為動力電池的工程需求，它需要一個較大的能量密度提升過程，這就給了某些投機者的鉆營空間，還起了個好聽的名字——石墨烯鋰電池。目前成熟鋰電池制造主要是采用石墨作為負極材料。
石墨烯負極材料
石墨烯由于其獨特的二維結(jié)構、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)勢極有潛力替代石墨成為新一代鋰電池負極材料。石墨烯的儲鋰機制與其他碳材料相似，充電時鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時鋰離子脫出返回正極。
因此較之石墨，以石墨烯為負極更有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來，很多學術研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。
石墨烯負極材料在鋰電池中的作用
與傳統(tǒng)鋰電池負極材料相比較，石墨烯作為鋰電池負極材料時，可有效提高相應電池的比容量，增強電極和電解液之間的導電接觸，改善其充/放電倍率性能。同時，石墨烯“柔韌”的單原子層二維結(jié)構也可有效抑制電極材料在充放電過程中發(fā)生體積變化引起的材料膨脹、粉化等，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，通過化學氧化插層—剝離—再還原法合成的化學還原石墨烯表面含有特定的含氧化學基團，如羧基、羥基和環(huán)氧基等，可為其結(jié)構和表面功能改性以及與其他材料的復合提供豐富的反應和鍵合位點，也為三維超結(jié)構石墨烯基復合材料的設計和合成提供多種可能的途徑。
由于石墨烯片之間較強的π-π疊合作用，石墨烯可團聚形成類似于石墨的層狀結(jié)構，進而影響鋰離子的嵌脫。這也證明純石墨烯并非是一種理想的鋰電池電極材料。
因此，近兩年來石墨烯基納米復合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/無機納米粒子等復合材料被廣泛地應用于鋰離子電池負極材料研究。通過納米粒子與石墨烯之間的有效復合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團聚，有利于鋰離子的嵌脫。
鋰離子電池被廣泛地應用在我們的生活中，使得我們的生活變得更加方便。
一項科技產(chǎn)品誕生往往會改變?nèi)藗兊纳?，為人們的生活帶來極大的便利?？赡芎芏嗳硕歼€記得，以前用過的手電筒里面的電池，那是用一根石墨棒外面包裹著碳來發(fā)電的。這種電池重量大而且還不能循環(huán)使用，處理的時候還不能扔進垃圾箱，因為它會破壞土地的生長能力。就被慢慢的淘汰了，取而代之的就是鋰電池。
鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池放電是靠化學的氧化還原反應。放電時，也就是我們在使用電池消耗電量的時候，它的正極會嵌入鋰離子，負極鋰離子落嵌。充電的時候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池產(chǎn)生電量。
1、電池充電時，Li從磷酸鐵鋰晶體內(nèi)面遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，然后嵌入石墨晶格中。與此同時，電子經(jīng)導電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負極極柱、負極耳流向負極的銅箔集流體，再經(jīng)導電體流到石墨負極，使負極的電荷達至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵。
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(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內(nèi)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(chǎn)生泡沫，反而不滿。
2、電池放電時，Li從石墨晶體中脫嵌出來，進入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時，電池經(jīng)導電體流向負極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經(jīng)導電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達至平衡。
鋰離子電池的應用
一、交通動力電源領域主要包括：電動自行車、電動摩托車、電動汽車(電動大巴/中巴車、電動特種車
二、電力儲能電源領域主要包括：大型太陽能/風能電力儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰電源、電力專用不間斷電源系統(tǒng)、一體化電源系統(tǒng)、光伏離網(wǎng)并網(wǎng)儲能電站系統(tǒng)
三、移動通信電源領域主要包括：一體化鋰電池電源、戶外一體化基站鋰電池電源、邊際網(wǎng)基站鋰電池電源、非物理站點鋰電池備電、FTTX的多種鋰電池備電、通信機樓336VHVDC數(shù)據(jù)中心備電、可再生能源基站電源、IDC機樓的鐵鋰電池儲能電站
四、新能源儲能動力電源：太陽能路燈、草坪燈、礦燈、應急燈、庭院燈、高桿燈、起動電源、電動工具、電動玩具、電動割草機，電動捕魚器等、電動模型、航模、電動機器人
五、航天軍工電源：大型艦船類動力電源、航空飛行器所用動力電源、航天載具動力電源系統(tǒng)、軍用裝甲，民用大型挖掘器械所用動力電源
鋰離子電池的安全隱患
一般來說，鋰離子電池出現(xiàn)安全問題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會導致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過了電池熱量的耗散能力，鋰離子電池就會過熱，電池材料就會發(fā)生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應和負極與粘合劑的反應等破壞性的副反應。
作為充電的鋰離子電池，鋰電池輸出電壓穩(wěn)定、輸出電壓高、性能穩(wěn)定、容量大、使用壽命長、工作溫度范圍廣、安全性好以及環(huán)保無污染，因此在未來鋰電池發(fā)展道路上具有很大的上升空間，但還需不斷研究以求達到改善其自身缺陷的目的。
眾所周知，電池的能量密度和壽命是兩個最重要的評價指標，而鋰電池又是當今能量密度最高的二次電池。但作為動力電池的工程需求，它需要一個較大的能量密度提升過程，這就給了某些投機者的鉆營空間，還起了個好聽的名字——石墨烯鋰電池。目前成熟鋰電池制造主要是采用石墨作為負極材料。
石墨烯負極材料
石墨烯由于其獨特的二維結(jié)構、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)勢極有潛力替代石墨成為新一代鋰電池負極材料。石墨烯的儲鋰機制與其他碳材料相似，充電時鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時鋰離子脫出返回正極。
因此較之石墨，以石墨烯為負極更有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來，很多學術研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。
石墨烯負極材料在鋰電池中的作用
與傳統(tǒng)鋰電池負極材料相比較，石墨烯作為鋰電池負極材料時，可有效提高相應電池的比容量，增強電極和電解液之間的導電接觸，改善其充/放電倍率性能。同時，石墨烯“柔韌”的單原子層二維結(jié)構也可有效抑制電極材料在充放電過程中發(fā)生體積變化引起的材料膨脹、粉化等，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，通過化學氧化插層—剝離—再還原法合成的化學還原石墨烯表面含有特定的含氧化學基團，如羧基、羥基和環(huán)氧基等，可為其結(jié)構和表面功能改性以及與其他材料的復合提供豐富的反應和鍵合位點，也為三維超結(jié)構石墨烯基復合材料的設計和合成提供多種可能的途徑。
由于石墨烯片之間較強的π-π疊合作用，石墨烯可團聚形成類似于石墨的層狀結(jié)構，進而影響鋰離子的嵌脫。這也證明純石墨烯并非是一種理想的鋰電池電極材料。
因此，近兩年來石墨烯基納米復合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/無機納米粒子等復合材料被廣泛地應用于鋰離子電池負極材料研究。通過納米粒子與石墨烯之間的有效復合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團聚，有利于鋰離子的嵌脫。
鋰離子電池被廣泛地應用在我們的生活中，使得我們的生活變得更加方便。
