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锂离子电池工作原理

发布者:【浩博电池资讯】 发布时间:2023-12-14 14:12:25 点击量:13

正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。

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负极反应:放电时锂离子脱插,充电时锂离子插入。

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电池总反应

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以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有

金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。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。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion

Batteries又叫摇椅式电池。

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。

正极

正极材料:可选正极材料很多,目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。

正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。

充电时:LiFePO?→ Li1-xFePO? + xLi + xe

放电时:Li1-xFePO?+ xLi + xe →LiFePO?

不同的正极材料对照:

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负极

负极材料:多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应:放电时锂离子脱插,充电时锂离子插入。

充电时:xLi + xe + 6C →LixC6

放电时:LixC6 → xLi + xe + 6C

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:充电池时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。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。


组成部分

钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列:

(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。导电集流体使用厚度10--20

微米的电解铝箔。

(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。

工作效率

锂离子电池能量密度大,平均输出电压高。自放电小,好的电池,每月在2%以

下(可恢复)。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃~60℃。循环性能优越、

可快速充放电、充电效率高达100%,而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒

有害物质,被称为绿色电池。

电解质溶液

溶质:常采用锂盐,如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸(LiBF4)。溶剂:由于电池的工作电压远高于水的分解电压,因此锂离子电池常采用有机溶剂,如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构,导致其剥脱,并在其表面形成固体电解质膜(solid electrolyte interphase,SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

优点

1)电压高

单体电池的工作电压高达3.7-3.8V(磷酸铁锂的是3.2V),是Ni-Cd、Ni-MH电

池的3倍。

2)比能量大

能达到的实际比能量为555Wh/kg左右,即材料能达到150mAh/g以上的比容量

(3--4倍于Ni-Cd,2--3倍于Ni-MH),已接近于其理论值的约88%。

3)循环寿命长

一般均可达到500次以上,甚至1000次以上,磷酸铁锂的可以达到2000次以上。

对于小电流放电的电器,电池的使用期限,将倍增电器的竞争力。

4)安全性能好

无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,

缩减了其应用领域:Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素:部分工

艺(如烧结式)的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”,严重束缚电池的

使用,但Li-ion根本不存在这方面的问题。

5)自放电小

室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右,大大低于Ni-Cd的

25-30%,Ni-MH的30-35%。

6) 快速充电

1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上,磷铁电池可以达到10分钟充

电到标称容量的90%。

7) 工作温度

工作温度为-25~45°C,随着电解液和正极的改进,期望能扩宽到-40~70°C。

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  • 可靠
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  • 高性能

    能量密度:125-160Wh/kg
    充放电能力:5-10C(20-80%DOD)
    温度范围:-40℃—65℃
    自耗电:≤3%/月

  • 高安全

    过充电、过放电、针刺、 挤压、短路、
    撞击、高温、枪击时电池不燃烧、爆炸。

  • 高可靠

    动力电池循环寿命不低于2000次,
    80%容量保持率;
    电池管理系统可靠、稳定、适应性 强,
    符合国军标要求。

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