鋰離子電池有什么優(yōu)勢(shì)？鋰離子電池工作原理是什么
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-05 09:32
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所謂鋰離子電池是指分別用二個(gè)能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來(lái)完成電池充放電工作的，獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。
◎當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。這就需要一個(gè)電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對(duì)鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
◎做為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物，包括SnO、SnO2、錫復(fù)合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2 ＋3x＋5y)/2)等。
◎電解質(zhì)采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。
◎隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低，而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到了熱保險(xiǎn)作用。
◎外殼采用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電的功能。
鋰離子電池的種類
根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IB)和聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IP)兩大類。
液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用LiCoO2，負(fù)極使用各種碳材料如石墨，同時(shí)使用鋁、銅做集流體。
它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同,鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì), 而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質(zhì)來(lái)代替, 這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。
表 鋰離子電池結(jié)構(gòu)比較
電解質(zhì)
殼體/包裝
隔膜
集流體
液態(tài)鋰離子電池
液態(tài)
不銹鋼、鋁
25μPE
銅箔和鋁箔
聚合物鋰離子電池
膠體聚合物
鋁/PP復(fù)合膜
沒(méi)有隔膜或個(gè)μPE
銅箔和鋁箔
由于聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質(zhì)不會(huì)象液體電液泄露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄。也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問(wèn)題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個(gè)電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50％以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池有所提高?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)為下一代鋰離子電池。
鋰離子電池的工作原理
就是指其充放電原理。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣道理，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過(guò)程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。不難看出，在鋰離子電池的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個(gè)可愛(ài)的名字搖椅式電池。
鋰離子電池是前幾年出現(xiàn)的金屬鋰蓄電池的替代產(chǎn)品，它的陽(yáng)極采用能吸藏鋰離子的碳極，放電時(shí)，鋰變成鋰離子，脫離電池陽(yáng)極，到達(dá)鋰離子電池陰極。鋰離子在陽(yáng)極和陰極之間移動(dòng)，電極本身不發(fā)生變化。這是鋰離子電池與金屬鋰電池本質(zhì)上的差別。鋰離子電池的陽(yáng)極為石墨晶體，陰極通常為二氧化鋰。充電時(shí)，陰極中鋰原子電離成鋰離子和電子，并且鋰離子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)與電子合成鋰原子。放電時(shí)，鋰原子從石墨晶體內(nèi)陽(yáng)極表面電離成鋰離子和電子，并在陰極處合成鋰原子。所以，在該電池中鋰永遠(yuǎn)以鋰離子的形態(tài)出現(xiàn)，不會(huì)以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)，所以這種電池叫做鋰離子電池。
鋰離子電池的充放電特性
５００ｍａｈ的ａａ型鋰離子電池的充放電特性曲線。單只鋰離子電池的充電電壓最好保持在４．１ｖ＋５０ｍｖ，充電電流通常限制在１ｃ（５００ｍａ）以下，否則會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池通常采用恒流／恒壓充電模式，即先采用１ｃ的恒定電流充電，電池電壓不斷上升，當(dāng)上升到４．１ｖ時(shí)充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓方式（４．１ｖ＋５０ｍｖ），充電電流逐漸減小，當(dāng)電池充足電時(shí)，電流降到涓流充電電流。用此方法，大約兩個(gè)小時(shí)電池可以充足（５００ｍａｈ）。鋰離子電池放電電流不應(yīng)超過(guò)３ｃ（１．５ａ），單體電池電壓不應(yīng)低于２．２ｖ，否則會(huì)造成損壞。采用０．２ｃ的放電電流，電池電壓下降到２．７ｖ時(shí)，可以放出額定電池容量（５００ｍａｈ），采用１ｃ的放電電流時(shí)，電池能夠放出９０％的電池容量，另外環(huán)境的溫度對(duì)電池的放電容量也會(huì)產(chǎn)生影響，所以規(guī)定了鋰離子電池放電時(shí)的溫度為－２０℃～＋６０℃。鋰離子電池的一個(gè)特點(diǎn)是比較容易顯示剩余電量，因?yàn)殇囯x子電池的工作電壓隨時(shí)間徐徐下降，鋰離子電池放電起始電壓為４．１ｖ（４．２ｖ），放電終止電壓為２．５ｖ。
