什么叫锂离子充电电池?
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。
锂电池:以金属锂为负极。 锂离子电池:使用非水液态有机电解质。 锂离子聚合物电池:用聚合物来凝胶化液态有机溶剂,或者直接用全固态电解质。锂离子电池一般以石墨类碳材料为负极。
3.1 液态锂离子电池
3.2 凝聚态锂离子电池
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。 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。 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。 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。 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。
和所有化学电池一样,锂离子电池也由三个部分组成:正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。
6.1 正极材料
1) 正极材料
2) 正极反应
充电时:LiFePO4→ Li1-xFePO4 + xLi ++ xe- 放电时:Li1-xFePO4+ xLi ++ xe- →LiFePO4
6.2 负极材料
1) 负极材料
充电时:xLi++ xe-+ 6C →LixC6 放电时:LixC6→ xLi++ xe-+ 6C
碳负极材料:实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。 锡基负极材料:锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。没有商业化产品。 含锂过渡金属氮化物负极材料:没有商业化产品。 合金类负极材料:包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金 ,没有商业化产品。 纳米级负极材料:纳米碳管、纳米合金材料。 纳米材料是纳米氧化物材料:根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向,诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨,锡氧化物,纳米碳管里面,极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。
6.3 电解质
溶质:常采用锂盐,如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(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。
6.4 导电涂层
抑制电池极化,减少热效应,提高倍率性能; 降低电池内阻,并明显降低了循环过程的动态内阻增幅; 高一致性,增加电池的循环寿命; 高活性物质与集流体的粘附力,降低极片制造成本; 保护集流体不被电解液腐蚀; 改善磷酸铁锂、钛酸锂材料的加工性能。
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。 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%。 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8000次。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。 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。 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%。 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%。 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。
7.2 缺点
衰老:与其它充电电池不同,锂离子电池的容量会缓慢衰退,与使用次数有关,也与温度有关。这种衰退的现象可以用容量减小表示,也可以用内阻升高表示。因为与温度有关,所以在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。储存温度与容量永久损失速度的关系:
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