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電池知識(shí)

鋰電池的最大特點(diǎn)是什么?鋰電池的基本知識(shí)介紹

來(lái)源:寶鄂實(shí)業(yè)    2019-06-23 19:39    點(diǎn)擊量:
鋰電池也分成兩大類:不可充電的及可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池,它只能將化學(xué)能一次性地轉(zhuǎn)化為電能,不能將電能還原回化學(xué)能(或者還原性能極差)。而可充電的電池稱為二次性電池(也稱為蓄電池)。它能將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái),在使用時(shí),再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能,它是可逆的,如電能化學(xué)能鋰電池的主要特點(diǎn)。 

靈巧型便攜式電子產(chǎn)品要求尺寸孝重量輕,但電池的尺寸及重量與其它電子元器件相比往往是最大的及最重的。例如,想當(dāng)年的“大哥大”是相當(dāng)“粗大、笨重”,而今天的手機(jī)是如此的輕巧。其中電池的改進(jìn)是起了重要作用的:過(guò)去是鎳鎘電池,現(xiàn)在是鋰離子電池。 

鋰電池的最大特點(diǎn)是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來(lái)表示。Wh是能量的單位,W是瓦、h是小時(shí);kg是千克(重量單位),L是升(體積單位)。這里舉一個(gè)例來(lái)說(shuō)明:5號(hào)鎳鎘電池的額定電壓為12V,其容量為800mAh,則其能量為096Wh(12V×08Ah)。同樣尺寸的5號(hào)鋰-二氧化錳電池的額定電壓為3V,其容量為1200mAh,則其能量為36Wh。這兩種電池的體積是相同的,則鋰-二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的375倍! 

一節(jié)5號(hào)鎳鎘電池約重23g,而一節(jié)5號(hào)鋰-二氧化錳電池約重18g。一節(jié)鋰-二氧化錳電池為3V,而兩節(jié)鎳鎘電池才24V。所以采用鋰電池時(shí)電池?cái)?shù)量少(使便攜式電子產(chǎn)品體積減孝重量減輕),并且電池的工作壽命長(zhǎng)。 

另外,鋰電池具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)及無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)。 

鋰電池的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴,所以目前尚不能普遍應(yīng)用,主要應(yīng)用于掌上計(jì)算機(jī)、PDA、通信設(shè)備、照相機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、魚(yú)雷、儀器等。隨著技術(shù)的發(fā)展、工藝的改進(jìn)及生產(chǎn)量的增加,鋰電池的價(jià)格將會(huì)不斷地下降,應(yīng)用上也會(huì)更普遍。 

不可充電的鋰電池 

不可充電的鋰電池有多種,目前常用的有鋰-二氧化錳電池、鋰—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。本文僅介紹前兩種最常用的。 
1、鋰-二氧化錳電池(LiMnO2) 
鋰-二氧化錳電池是一種以鋰為陽(yáng)極、以二氧化錳為陰極,并采用有機(jī)電解液的一次性電池。該電池的主要特點(diǎn)是電池電壓高,額定電壓為3V(是一般堿性電池的2倍);終止放電電壓為2V;比能量大(見(jiàn)上面舉的例子);放電電壓穩(wěn)定可靠;有較好的儲(chǔ)存性能(儲(chǔ)存時(shí)間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤2%);工作溫度范圍-20℃~+60℃。 

該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求,它有長(zhǎng)方形、圓柱形及紐扣形(扣式)。圓柱形的也有不同的直徑及高度尺寸。這里列舉大家較熟悉的1#(尺寸代碼D)、2#(尺寸代碼C)及5#(尺寸代碼AA)電池的主要參數(shù)。 

CR表示為圓柱形鋰-二氧化錳電池;五位數(shù)字中,前兩位表示電池的直徑,后三位表示帶一位小數(shù)的高度。例如,CR14505,其直徑為14mm,高度為505mm(這種型號(hào)是通用的)。 

這里要指出的是不同工廠生產(chǎn)的同型號(hào)的電池其參數(shù)可能有些差別。另外,標(biāo)準(zhǔn)放電電流值是較小的,實(shí)際放電電流可以大于標(biāo)準(zhǔn)放電電流,并且連續(xù)放電及脈沖放電的允許放電電流也不同,由電池廠提供有關(guān)數(shù)據(jù)。例如,力興電源公司生產(chǎn)的CR14505給出最大連續(xù)放電電流為1000mA,最大脈沖放電電流可達(dá)2500mA。 

照相機(jī)中用的鋰電池多半是鋰-二氧化錳電池。這里將照相機(jī)中常用的鋰-二氧化錳電池列入表2,供參考。 

紐扣式(扣式)電池尺寸較小,其直徑為125~245mm,高度為16~50mm。幾種較常用的扣式電池如表3所示。 

CR為圓柱形鋰-二氧化錳電池,后四位數(shù)字中前兩位為電池的直徑尺寸,后兩位為帶小數(shù)點(diǎn)的高度尺寸。例如,CR1220的直徑為125mm(不包括小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)),其高度為20mm。這種型號(hào)表示方法是國(guó)際通用的。 

這種扣式電池常用于時(shí)鐘、計(jì)算器、電子記事本、照相機(jī)、助聽(tīng)器、電子游戲機(jī)、IC卡、備用電源等。 

2、鋰-亞硫酰氯電池(LiSOCl2) 

鋰-亞硫酰氯電池是比能量最高的一種,目前可達(dá)到500Wh/kg或1000Wh/L的水平。它的額定電壓是36V,以中等電流放電時(shí)具有極其平坦的34V放電特性(可在90%容量范圍內(nèi)平坦地放電,保持不大的變化)。電池可以在-40℃~+85℃范圍內(nèi)工作,但在-40℃時(shí)的容量約為常溫容量的50%。自放電率低(年自放電率≤1%)、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上。 

以1#(尺寸代碼D)鎳鎘電池與1#鋰-亞硫酰氯電池的比能量作一個(gè)比較:1#鎳鎘電池的額定電壓為12V,容量為5000mAh;1#鋰-亞硫酰氯的額定電壓為36V,容量為10000mAh,則后者的比能量比前者大6倍! 

應(yīng)用注意事項(xiàng) 

上述兩種鋰電池是一次性電池,不可充電(充電時(shí)有危險(xiǎn)!);電池正負(fù)極之間不可短路;不可以過(guò)大電流放電(超過(guò)最大放電電流放電);電池使用至終止放電電壓時(shí),應(yīng)從電子產(chǎn)品中及時(shí)取出;用完的電池不可擠壓、焚燒及拆卸;不可超過(guò)規(guī)定溫度范圍使用。 

由于鋰電池的電壓高于普通電池或鎳鎘電池,使用時(shí)不要搞錯(cuò)以免損壞電路。通過(guò)熟悉型號(hào)中的CR、ER就可以知道它的種類及額定電壓。在購(gòu)買新電池時(shí),一定要按原來(lái)的型號(hào)來(lái)買,否則會(huì)影響電子產(chǎn)品性能。 

可充電的鋰電池 

可充電的鋰電池有多種,如鋰-釩氧化物電池,鋰離子電池及國(guó)外新開(kāi)發(fā)的鋰-聚合物電池等。這里僅介紹前兩種,重點(diǎn)介紹鋰離子電池。 

可充電鋰離子電池是目前手機(jī)中應(yīng)用最廣泛的電池,但它較為“嬌氣”,在使用中不可過(guò)充、過(guò)放(會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢)。因此,在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。 
鋰離子電池充電要求很高,要保證終止電壓精度在1%之內(nèi),目前各大半導(dǎo)體器件廠已開(kāi)發(fā)出多種鋰離子電池充電的IC,以保證安全、可靠、快速地充電。 

現(xiàn)在手機(jī)已十分普遍,手機(jī)中一部分是鎳氫電池,但靈巧型的手機(jī)則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對(duì)延長(zhǎng)電池壽命是十分重要的。 

1. 鋰-釩氧化物電池(Li-V6O13) 

鋰-釩氧化物電池以鋰為陽(yáng)極、釩氧化物為陰極、無(wú)機(jī)鹽的有機(jī)溶劑為電解質(zhì)組成。它的特點(diǎn)是可以充電。以2號(hào)電池為例,將鋰-釩氧化物電池與鋰-二氧化錳電池及鋰-亞硫酰氯電池相比較如表5所示。 
由表5可知,由于鋰-釩氧化物電池的額定電壓僅為2.8V,而且額定容量也小,故與其它兩種鋰電池相比,其比能量是最小的。該類圓柱形電池的主要參數(shù)如表6所示。從表6可看出,其充電次數(shù)(循環(huán)壽命)也不長(zhǎng),所以這種可充電電池不久就由鋰離子電池替代了。 

2. 鋰離子電池(Li-Ion) 

鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰電池,它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長(zhǎng)方形、圓柱形、長(zhǎng)方形及扣式,并且有由幾個(gè)電池串聯(lián)在一起組成的電池組。 

鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產(chǎn)品為3.7V)。充滿電時(shí)的終止充電電壓與電池陽(yáng)極材料有關(guān):陽(yáng)極材料為石墨的4.2V;陽(yáng)極材料為焦炭的4.1V。不同陽(yáng)極材料的內(nèi)阻也不同,焦炭陽(yáng)極的內(nèi)阻略大,其放電曲線也略有差別,如圖1所示。一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池。鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V~2.75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓,各參數(shù)略有不同)。低于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過(guò)放,過(guò)放對(duì)電池會(huì)有損害。 

鋰離子電池不適合用作大電流放電,過(guò)大電流放電時(shí)會(huì)降低放電時(shí)間(內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產(chǎn)工廠給出最大放電電流,在使用中應(yīng)小于最大放電電流。 

鋰離子電池對(duì)溫度有一定要求,工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍。 

鋰離子電池對(duì)充電的要求是很高的,它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%(例如,充4.2V的鋰離子電池,其允差為±0.042V),過(guò)壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議,并要求有限流電路以免發(fā)生過(guò)流(過(guò)熱)。一般常用的充電率為0.25C~1C(C是電池的容量,如C=800mAh,1C充電率即充電電流為800mA)。在大電流充電時(shí)往往要檢測(cè)電池溫度,以防止過(guò)熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。
為了確保Li-ion安全可靠的使用,專家們進(jìn)行了非常嚴(yán)格、周密的電池安全性能設(shè)計(jì),以達(dá)到電池安全考核指標(biāo)。 

1) 隔膜135℃自動(dòng)關(guān)斷保護(hù)

采用國(guó)際先進(jìn)的PE-PP-PE三層復(fù)合膜。在電池升溫達(dá)到120℃的情況下,PE復(fù)合膜兩側(cè)的膜孔閉合,電池內(nèi)阻增大,電池內(nèi)部升溫減緩,電池升溫達(dá)到135℃時(shí),PP膜孔閉合,電池內(nèi)部斷路,電池不再升溫,確保電池安全可靠。

2) 向電解液中加入添加劑

在電池過(guò)充,電池電壓高于4.2V的條件下,電解液添加劑與電解液中其他物質(zhì)聚合,電池內(nèi)阻大幅度增加,電池內(nèi)部形成大面積斷路,電池不再升溫。

3) 電池蓋復(fù)合結(jié)構(gòu)

電池蓋采用刻痕防爆球結(jié)構(gòu),電池升溫時(shí),電池內(nèi)部活化過(guò)程中所產(chǎn)生的部分氣體膨脹,電池內(nèi)壓加大,壓力達(dá)到一定程度刻痕破裂、放氣。

4) 各種環(huán)境濫用測(cè)試

進(jìn)行各項(xiàng)濫用實(shí)驗(yàn),如外部短路、過(guò)充、針刺、沖擊、焚燒等,考察電池安全性能。同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行溫度沖擊實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)、跌落、沖擊等力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),考察電池在實(shí)際使用環(huán)境下的性能情況。

鋰離子電池的安全特性

鋰離子電池已非常廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活中,所以它的安全性能絕對(duì)應(yīng)該是鋰離子電池的第一項(xiàng)考核指標(biāo)。對(duì)于鋰離子電池安全性能的考核指標(biāo),國(guó)際上規(guī)定了非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),一只合格的鋰離子電池在安全性能上應(yīng)該滿足以下條件。

 (1)短路:不起火,不爆炸
 (2)過(guò)充電:不起火,不爆炸
?。?)熱箱試驗(yàn):不起火,不爆炸(150℃恒溫10min)
?。?)針剌:不爆炸(用?3mm釘穿透電池)
?。?)平板沖擊:不起火,不爆炸(10kg重物自1M高處砸向電池)
?。?)焚燒:不爆炸(煤氣火焰燒烤電池)

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