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锂离子电池的原理与运用
自从1958 年美国加州大学的一位研讨生提出了锂、钠等生动金属做电池负极的想象后,人类开端了对锂电池的研讨。而从1971 年日本松下公司的福田雅太郎创造锂氟化碳电池并使锂电池完结运用化商品化开端,锂电池便以其比能量高,电池电压高,作业温度规模宽,储存寿数长等长处,广泛运用于军事和民用小型电器中,如移动电话、笔记本电脑、摄像机、照相机等。
一、锂离子电池的结构与作业原理 所谓锂离子电池实际上是一种锂离子浓度差电池,正负南北极由两种锂离子嵌入化合物组成。充电时,锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,负极处于富锂态,正极处于贫锂态,一起电子的补偿电荷从外电路供应到碳负极,确保负极的电荷平衡,放电时则相反,锂离子从负极脱嵌,经电解质嵌入正极(这种循环被形象的称为摇椅式机制)。在正常的充放电情况下,锂离子在层状结构的碳资料和层状结构氧化物层间嵌入嵌出,因为过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2中低自旋合作物多,晶格体积小,在锂离子嵌入脱嵌时,晶格胀大缩短性小,结晶结构安稳,因而循环功能好,并且充放电过程中,负极资料化学结构根本不变,因而从充放电反响的可逆性看锂离子电池反响是一种抱负的可逆过程。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完结电池充放电作业的,共同机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”,俗称“锂电”。 ◎当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。这就需求一个电极在拼装前处于嵌锂状况,一般挑选相对锂而言电位大于3V且在空气中安稳的嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。 ◎作为负极的资料则挑选电位尽或许挨近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳资料包含天然石墨、组成石墨、碳纤维、中心相小球碳素等和金属氧化物包含SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2+3x+5y)/2)等。 ◎电解质选用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂调配的混合溶剂系统。 ◎隔阂选用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜,尤其是PP/PE/PP三层隔阂不只熔点较低,并且具有较高的抗穿刺强度,起到了热稳妥效果。 ◎外壳选用钢或铝资料,盖体组件具有防爆断电的功用。 二、锂离子电池的品种 依据锂离子电池所用电解质资料不同,锂离子电池能够分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。 液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极资料与液态锂离子都是相同的,电池的作业原理也根本共同。一般正极运用LiCoO2,负极运用各种碳资料如石墨,一起运用铝、铜作集流体。它们的首要差异在于电解质的不同, 锂离子电池运用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来替代, 这种聚合物能够是“干态”的,也能够是“胶态”的,现在大部分选用聚合物胶体电解质。 因为聚合物锂离子电池运用了胶体电解质不会像液体电解液走漏,所以安装很简略,使得全体电池很轻、很薄。也不会发生漏液与燃烧爆破等安全上的问题,因而能够用铝塑复合薄膜制作电池外壳,然后能够进步整个电池的比容量;聚合物锂离子电池还能够选用高分子作正极资料,其质量比能量将会比现在的液态锂离子电池进步50%以上。此外,聚合物锂离子电池在作业电压、充放电循环寿数等方面都比液态锂离子电池有所进步。依据以上长处,聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。
三、锂离子电池的运用及远景 了解了锂离子电池的原理之后,下面咱们来看一下锂离子电池的运用: 锂离子电池的一个运用方向是电动轿车。进入20 世纪80 时代,因为工业的开展,轿车产量剧增,大气污染成分的63%来自燃油轿车,为了彻底治愈轿车尾气对环境形成的污染,电动轿车及电动轿车电池的开发研讨成为国内外轿车行业开展的新热门,而现在电动轿车商品化的难题首要是电池功能满意不了要求,并且价格高,体积大,质量大,而锂离子电池因为具有比能量高,自放电小,循环寿数长,无回忆效应和对环境污染小等长处,成为完结中期方针的电动轿车动力电池之一,1997年7月,美国实验的Nissan Altra EV 装备了song LA4LB(94Ah,28.8V,90WHkg-1,30㎏)锂离子电池,并于1998年面向加州商场,1997年10月,法国推出了欧洲第一辆运用锂离子电池的电动轿车Peugeot 106EV。现在,在锂离子动力电池研讨方面抢先的厂商有日本Song、德国Varta 和法国Saft,而未来,具更高能量的聚合物锂离子电池(PLIB)将成为远期方针的电动车用锂离子电池。 而锂离子电池的首要运用范畴为便携电子产品,如手机、笔记本电脑。现在,移动电话和笔记本电脑两个范畴的液态锂离子电池(LIB)用量已占全国际锂离子电池商场的90%,1999年,全国际的移动电话有42%运用LIB 电池,笔记本电脑有67%运用LIB 电池,据预算,到2010年,移动电话和笔记本电脑所用的电池中LIB 电池和PLIB 电池将会占有71%的商场。我国1999年末,已有移动电话用户4600 万人,占全国人口的4%,手机具有量名列国际第三位,到2001年,我国具有手机的数量已占全国人口的10%,而发达国家移动电话用户已达30%,可见,我国具有巨大的锂离子电池潜在商场,2001 年,全球锂电池用量已达6.65 亿只,其间,诺基亚、摩托罗拉、爱立信三大厂商共出售锂电池2.1 亿只,日本锂电池产量,现在仍占全球的90%以上,日本三洋、松下、索尼是国际前三名的生产厂家,能够说,跟着手机和笔记本电脑的遍及,锂离子电池现已与咱们完结了零距离,而咱们越来越关怀的是怎么判别电池功能的好坏,及怎么去保养电池,下面简略谈一下这两个问题: 电池功能一般经过以下几个方面来点评: (1)容量:容量是指在必定放电条件下,能够从电池取得的电量,即电流对时间的积分,一般用mAh 或Ah 来标明,它直接影响电池的最大作业电流和作业时间。 (2)放电特性和内阻:放电特性是指电池在必定的放电准则下,其作业电压的平稳性,电压渠道的凹凸以及电流放电功能等,它标明电池带负载才能。 (3)储存功能:储存一段时间后,电池会因某些要素的影响使功能发生变化,导致电池自放电,电解液走漏,电池短路等。 (4)循环寿数:指电池依照必定的准则进行充放电,功能衰减到某一程度时的循环次数。 (5)内压和耐过充电功能:假如电池内部压力达不到平衡或平衡压力过高,就会使限位设备敞开而引起电池灰心或漏液,然后导致电池失效,假如限压设备失利,则有或许引起电池壳体开裂或爆破。 国际上规则了十分严厉的规范,一只合格的锂离子电池在安全功能上应满意以下条件: (1)短路:不起火,不爆破 (2)过充电:不起火、不爆破 (3)热箱实验:不起火,不爆破(150℃恒温10min) (4)针刺:不爆破(用Ф3 ㎜针穿透电池) (5)平板冲击:不起火,不爆破(10 ㎏重物自1m 高处砸向电池) (6)燃烧:不爆破(煤气火焰烧烤电池) 综上所述,锂离子电池自上世纪初产业化以来,一向处于快速开展的趋势之中。现在锂离子电池已被广泛运用于移动通讯、笔记本电脑、数码相机等便携式产品,一起其作为动力电池的根本条件现已具有,正在向电动自行车、摩托车及轿车等方向开展。可见,锂离子电池的商场远景和容量均较为宽广,依据新资料在线的猜测,全球锂电池的需求将坚持年均10%左右的增长速度,我国的锂离子电池需求量也将坚持快速增长趋势。因而关于很多锂离子电池生厂家来说,进一步改进其规划及进步其功能,尽早规划出安全有用、质量优异的产品,就能更早的在商场中占有抢先地位,抢占商机。 |
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