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鋰離子電知識

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瀏覽:- 發布日期:2018-08-04 19:23:51【

采用含有鋰元素的材料作為電極的電池。它是現代高性能電池的代表。

名詞簡介

鋰離子電池是一種充電電池,它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電池時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。

鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆:

(1)鋰電池:存在鋰單質。

(2)鋰離子聚合物電池:用多聚物取代液態有機溶劑。

組成部分

鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列:

(1)正極——活性物質一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰,現在又出現了鎳鈷錳酸鋰材料,電動自行車則用磷酸鐵鋰,導電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

(2)隔膜——一種特殊的復合膜,可以讓離子通過,但卻是電子的絕緣體。

(3)負極——活性物質為石墨,或近似石墨結構的碳,導電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

(4)有機電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,聚合物的則使用凝膠狀電解液。

(5)電池外殼——分為鋼殼(現在方型很少使用)、鋁殼、鍍鎳鐵殼(圓柱電池使用)、鋁塑膜(軟包裝)等,還有電池的蓋帽,也是電池的正負極引出端。

作用機理

鋰離子電池以碳素材料為負極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌(習慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負極用插入或脫插表示)。在充放電過程中,鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插,被形象地稱為“搖椅電池”。

工作狀態和效率

鋰離子電池能量密度大,平均輸出電壓高。自放電小,好的電池,每月在2%以下(可恢復)。沒有記憶效應。工作溫度范圍寬為-20℃~60℃。循環性能優越、可快速充放電、充電效率高達100%,而且輸出功率大。使用壽命長。不含有毒有害物質,被稱為綠色電池。

充電

充電是電池重復使用的重要步驟,鋰離子電池的充電過程分為兩個階段:恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。恒流快充階段,電池電壓逐步升高到電池的標準電壓,隨后在控制芯片下轉入恒壓階段,電壓不再升高以確保不會過充,電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到設定的值,而最終完成充電。電量統計芯片通過記錄放電曲線可以抽樣計算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后,放電曲線會發生改變,鋰離子電池雖然不存在記憶效應,但是充、放電不當會嚴重影響電池性能。

充電注意事項

鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結構出現塌陷,而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入;過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結構,而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

充電量等于充電電流乘以充電時間,在充電控制電壓一定的情況下,充電電流越大(充電速度越快),充電電量越小。電池充電速度過快和終止電壓控制點不當,同樣會造成電池容量不足,實際是電池的部分電極活性物質沒有得到充分反應就停止充電,這種充電不足的現象隨著循環次數的增加而加劇。

放電

第一次充放電,如果時間能較長(一般3至4小時足夠),那么可以使電極盡可能多的達到最高氧化態(充足電),放電(或使用)時則強制放到規定的電壓、或直至自動關機,如此能激活電池使用容量。

但在鋰離子電池的平常使用中,不需要如此操作,可以隨時根據需要充電,充電時既不必要一定充滿電為止,也不需要先放電。像首次充放電那樣的操作,只需要每隔3至4個月進行連續的1至2次即可。

化學解析

概述:和所有化學電池一樣,鋰離子電池也由三個部分組成:正極、負極和電解質。電極材料都是鋰離子可以嵌入(插入)/脫嵌(脫插)的。

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

正極材料
平均輸出電壓
能量密度
LiCoO2
3.7V
140mAh/g
LiMn2O4
3.7V
100mAh/g
LiFePO4
3.2V
130mAh/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:放電時鋰離子脫插,充電時鋰離子插入。充電時:xLi+xe+6C→LixC6放電時:LixC6→xLi+xe+6C

電解質溶液

溶質:常采用鋰鹽,如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。溶劑:由于電池的工作電壓遠高于水的分解電壓,因此鋰離子電池常采用有機溶劑,如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機溶劑常常在充電時破壞石墨的結構,導致其剝脫,并在其表面形成固體電解質膜(solidelectrolyteinterphase,SEI)導致電極鈍化。有機溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。

主要優點

(1)電壓高:單體電池的工作電壓高達3.7-3.8V(磷酸鐵鋰的是3.2V),是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍。

(2)比能量大:目前能達到的實際比能量為555Wh/kg左右,即材料能達到150mAh/g以上的比容量(3至4倍于Ni-Cd,2--3倍于Ni-MH),已接近于其理論值的約88%。

(3)循環壽命長:一般均可達到500次以上,甚至1000次以上,磷酸鐵鋰的可以達到2000次以上。對于小電流放電的電器,電池的使用期限,將倍增電器的競爭力。

(4)安全性能好:無公害,無記憶效應。作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發生短路,縮減了其應用領域:Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環境有污染的元素:部分工藝(如燒結式)的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”,嚴重束縛電池的使用,但Li-ion根本不存在這方面的問題。

(5)自放電?。菏覝叵鲁錆M電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為2%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。

(6)可快速充放電:1C充電30分鐘容量可以達到標稱容量的80%以上,現在磷鐵電池可以達到10分鐘充電到標稱容量的90%。

(7)工作溫度范圍高,工作溫度為-25~45°C,隨著電解液和正極的改進,期望能擴寬到-40~70°C。

鋰離子電池的使用

(1)如何為新電池充電

在使用鋰電池中應注意的是,電池放置一段時間后則進入休眠狀態,此時容量低于正常值,使用時間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活,只要經過3—5次正常的充放電循環就可激活電池,恢復正常容量。由于鋰電池本身的特性,決定了它幾乎沒有記憶效應。因此用戶手機中的新鋰電池在激活過程中,是不需要特別的方法和設備的。

對于鋰電池的“激活”問題,眾多的說法是:充電時間一定要超過12小時,反復做三次,以便激活電池。這種“前三次充電要充12小時以上”的說法,明顯是從鎳電池(如鎳鎘和鎳氫)延續下來的說法。所以這種說法,可以說一開始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區別,而且可以非常明確的告訴大家,我所查閱過的所有嚴肅的正式技術資料都強調過充和過放電會對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標準時間和標準方法充電,特別是不要進行超過12個小時的超長充電(充電器顯示充滿即可)。

此外,鋰電池或充電器在電池充滿后都會自動停充,并不存在鎳電充電器所謂的持續10幾小時的“涓流”充電。也就是說,如果你的鋰電池在充滿后,放在充電器上也是白充。而我們誰都無法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質量的萬無一失,所以你的電池將長期處在危險的邊緣徘徊。這也是我們反對長充電的另一個理由。

此外,不可忽視的另外一個方面就是鋰電池同樣也不適合過放電,過放電對鋰電池同樣也很不利。

(2)正常使用中應該何時開始充電

經??梢砸姷竭@種說法,因為充放電的次數是有限的,所以應該將手機電池的電盡可能用光再充電,其實鋰電池的壽命與這無關。下面可以舉例一個關于鋰離子電池充放電循環的實驗表,關于循環壽命的數據列出如下:

循環壽命(10%DOD):>1000次

循環壽命(100%DOD):>200次

其中DOD是放電深度的英文縮寫。從表中可見,可充電次數和放電深度有關,10%DOD時的循環壽命要比100%DOD的要長很多。當然如果折合到實際充電的相對總容量:10%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充放電還是要比較好一些,但前面網友的那個說法要做一些修正:在正常情況下,你應該有保留地按照電池剩余電量用完再充的原則充電,但假如你的電池在你預計第2天不可能堅持整個白天的時候,就應該及時開始充電,當然你如果愿意背著充電器到辦公室又當別論。

電池剩余電量用完再充的原則并不是要你走向極端。和長充電一樣流傳甚廣的一個說法,就是“盡量把電池的電量用完”。這種做法其實只是鎳電池上的做法,目的是避免記憶效應發生,不幸的是它也在鋰電池上流傳之今。曾經有人因為手機電池電量過低的警告出現后,仍然不充電繼續使用一直用到自動關機的例子。結果這個例子中的手機在后來的充電及開機中均無反應,不得不送客服檢修。這其實就是由于電池因過度放電而導致電壓過低,以至于不具備正常的充電和開機條件造成的。

個人建議手機鋰離子電池不要充得太滿也不要用到沒電,電池沒用完電就充電,不會對電池造成傷害,充電以2-3小時以內為宜,不一定非要充滿。但應該每隔3至4個月左右,對鋰電池進行1--2次完全的充滿電(正常充電時間)和放完電。

長期不用的鋰電池,應該存放在陰涼偏干燥的地方,以半電狀態(滿電電量的70--80%,假如你的手機滿電時顯示4格,那么3格即可)最好,滿電存放有危險且電池會有損害,無電存放電池會被破壞。每隔3至6個月,檢查一次是否要補充電。

鋰離子電池按電解液分可以分成液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池,聚合物鋰離子電池的電解液是膠體,不會流動,所以不存在泄漏問題,更加安全。

保養須知

充電時不得高于最大充電電壓,放電時不得低于最小工作電壓。

無論任何時間鋰離子電池都必須保持最小工作電壓以上,低電壓的過放或自放電反應會導致鋰離子活性物質分解破壞,并不一定可以還原。

鋰離子電池任何形式的過充都會導致電池性能受到嚴重破壞,甚至爆炸。鋰離子電池在充電過程必需避免對電池產生過充。

不要經常深放電、深充電。不過,每經歷約30個充電周期后,電量檢測芯片會自動執行一次深放電、深充電,以準確評估電池的狀態。

避免高溫,輕則縮短壽命,嚴重者可引發爆炸。如有條件可儲存于冰箱。筆記本電腦如果正在使用交流電,請拔除鋰離子電池條,以免受到電腦產熱的影響。

避免凍結,但多數鋰離子電池電解質溶液的冰點在-40℃,不容易凍結。

如果長期不用,請以40%~60%的充電量儲存。電量過低時,可能因自放電導致過放。

由于鋰離子電池不使用時也會自然衰老,因此,購買時應根據實際需要量選購,不宜過多購入

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