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金属锂电池对比锂离子电池区别是什么?

来源:宝鄂实业    2019-08-31 07:56    点击量:
 最主要的区别是金属锂电池是一次性电池,锂离子电池是可充电循环电池!金属锂电池跟普通干电池的原理一样,它是用金属锂作为电极,通过金属锂的腐蚀或叫氧化来产生电能的,用完就废了,不能充电;锂离子电池一般用钴酸锂做正极,碳做负极,中间填充电解液以形成离子游离的通道,用隔膜来分离正负极防止短路。当充电时由于电场作用锂离子从钴酸锂中游出,游离在电液中穿过隔膜中的孔隙,到达负极与碳反应生成碳化锂;放电过程与此相反,锂离子又回到正极,这就是锂离子电池的充放电过程
锂离子电池工作原理
 
  锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。
 
  当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。
 
  一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间,电流越大,充电越快,同时电池发热也越大。而且,过大的电流充电,容量不够满,因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样,倒太快的话会产生泡沫,反而不满。
锂离子电池中电解液为酯类溶剂体系,反应活性比较高,因此不适合金属锂电池,而醚类溶剂则相对比较稳定,研究表明醚类电解液能够很好的抑制金属锂枝晶的生长。除了溶剂体系外,锂盐的选择也对金属锂负极的性能有着显著的影响,例如高浓度的LiFSI能够显著的提升锂金属电池的库伦效率。
能够注意到醚类电解液的低温电导率要明显低于碳酸酯类电解液,同时我们还注意到两种不同浓度的LiFSI电解液的电导率曲线上有一个突变点,这主要是因为在温度降低的过程中LiFSI沉淀析出导致的,但是如果我们在电解液添加LiTFSI后就能够有效的抑制LiFSI的沉淀现象。
我们能够看到金属锂负极在碳酸酯类电解液中非常不稳定,首次效率仅为54.7%,经过85次循环后库伦效率才逐渐提高到80%,表明金属锂在碳酸酯类电解液中稳定较差,副反应较多从而严重影响金属锂负极的循环性能。而在醚类电解液中金属锂负极的稳定性则要好的多,不仅首次效率显著提高,在随后的循环中电池的充放电库伦效率也很快达到了98.2%(SSEE电解液)和97.9%(BSEE电解液)并稳定循环了200次。
 
由于金属锂是一种非常活泼的金属,具有非常强的还原能力,因此金属锂在沉积过程中的致密度就非常关键,更加致密的结构能够有效的减少金属锂与电解液之间的接触面积,减少副反应的发生,对于提升库伦效率和循环寿命都有积极的影响。下图为金属锂在几种不同电解液中的沉积的表面形貌,从下图a中能够看到在碳酸酯类电解液中沉积的金属锂存在大量的枝晶,金属锂呈现非常疏松的堆积状态,而采用高浓度醚类电解液的金属锂颗粒比较大,沉积层也更加致密。对沉积层的截面观测能够发现,在碳酸酯类电解液中沉积的金属锂层中存在大量的孔隙(下图d),而在SSEE电解液中,金属锂沉积层主要由大颗粒的金属锂组成,并且沉积层中的孔隙也显著减少(下图e),而在采用双锂盐的BSEE电解液中,金属锂沉积层的结构被进一步优化,金属锂沉积层中没有见到明显的孔隙。这表明高浓度的醚类电解液能够有效的抑制锂枝晶的生长,而采用双锂盐醚类电解液则能够进一步改善金属锂沉积层的结构。
 
低温透射电镜技术是近年来兴起的一种观测技术,在极低的温度下能够最大限度的避免被观测材料被电子束破坏,因此这也让原位观测锂枝晶的产生和生长成为了可能。从下图能a能够看到在普通的碳酸酯类电解液中金属锂沉积会形成条状结构,无序的生长的锂枝晶在沉积层内产生了大量的孔隙,而在SSEE电解液中,金属锂沉积层主要是由锂枝晶和锂纳米片组成,而在BSEE电解液中,金属锂沉积层则完全是由无定形的锂纳米片结构构成。