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关于锂离子电池工作原理、结构及优缺点详解

来源:宝鄂实业    2019-04-16 08:52    点击量:
锂离子电池:是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。不含有毒有害物质,被称为绿色电池。下面贤集网小编为大家介绍锂离子电池工作原理、结构组成、优缺点与锂电池、蓄电池、碳酸铁锂电池、聚合物电池的区别。
 
锂系电池分为锂电池和锂离子电池。
 
手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极,是现代高性能电池的代表。而真正的锂电池由于危险性大,很少应用于日常电子产品。
 
锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功。它是把锂离子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成负极(传统锂电池用锂或锂合金作负极)。
 
锂离子电池结构组成部分
 
1)正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,镍钴锰酸锂材料,电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂(俗称三元)或者三元+少量锰酸锂,纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。
 
锂离子电池工作原理、结构、优缺点与锂电池、蓄电池的区别
 
2)隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,可以让锂离子自由通过,而电子不能通过。
 
3)负极——活性物质为石墨,或近似石墨结构的碳,导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。
 
4)有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂,聚合物的则使用凝胶状电解液。
 
5)电池外壳——分为钢壳(方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等,还有电池的盖帽,也是电池的正负极引出端。
 
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。
 
锂离子电池优点
 
1、锂电池电压平台高:单体电池的平均电压为3.7V或3.2V,约等于3只镍镉电池或镍氢电池的串联电压,便于组成电池组。
 
2、具有高储存能量密度:相对其他电池而言锂电池能量密度很高,目前已达到460-600Wh/kg,约为铅酸电池的6~7倍。这就意味着在相同电荷容量下,锂电池重量更轻。据计算相同体积下重量约为铅酸产品的1/5~1/6。
 
3、使用寿命相对较长:锂电池的使用寿命可达到6年以上。以磷酸亚铁锂为正极的锂电池为例,在1C充放电倍率下,循环周期的*纪录可达1000次。
 
4、具备高功率承受力:电动车锂电池用的磷酸亚铁锂离子电池*充放电倍率可以达到15C-30C,这非常适合动力汽车高强度的启动和加速。
 
5、自放电率很低。自放电率是锂离子电池*突出的优越性之一,室温下满电存储一个月的自放电率约10%左右,而同等条件下镍镉为25~30%、镍氢为30~35%。
 
6、无记忆效应:这意味着锂离子电池可以随时充放电,而不必像镍氢、镍锡电池一样,必须要等到电量耗尽。
 
7、高低温适应性强:锂电池可在-20℃--60℃的环境下使用,经过工艺上的处理,可以在-45℃环境下使用。
 
8、绿色环保:不论生产、使用和报废都不含有也不产生铅、汞、镉等有毒重金属物质。
 
9、锂离子电池的主要原材料锂、锰、铁、钒等在我国都是富产资源;生产基本不消耗水,对水之源稀缺的国家十分有利。
 
锂离子电池的缺点
 
1、错误使用存在安全隐患:由于锂离子电池组成物质非常活跃,若使用错误将会出现电解液分解、燃烧甚至爆炸的重大事故。
 
2、不同放电倍率对电池的可用容量影响较大。
 
3、过充电和过放电均会对电池造成不可恢复的损害:针对以上的缺点,一般大容量的锂电池组均采用了保护装置来监视电池的使用过程。
 
4、低温下电池性能明显恶化,放电平台下降、输出功率减小、可用电量衰减等。