鋰電池結(jié)構(gòu)與原理.doc

鋰電池原理和結(jié)構(gòu)1、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理：所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的，獨特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。以LiCoO2為例：電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時反之。這就需要一個電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物，包括SnO、SnO2、錫復(fù)合氧化物SnBxPyOz(x=0.40.6，y=0.60.4，z=(23x5y)/2)等。2、電池一般包括：正極（positive）、負(fù)極（negative）、電解質(zhì)（electrolyte）、隔膜（separator）、正極引線（positivelead）、負(fù)極引線（negativeplate）、中心端子、絕緣材料（insulator）、安全閥（safetyvent）、密封圈（gasket）、PTC（正溫度控制端子）、電池殼。一般大家較關(guān)心正極、負(fù)極、電解質(zhì)鋰電池的詳細(xì)介紹1、鋰離子電池鋰離子電池目前由液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指 Li +嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物L(fēng)iCoO2或LiMn2O4，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物。鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，是21世紀(jì)發(fā)展的理想能源。2、鋰離子電池發(fā)展簡史鋰電池和鋰離子電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池。這種電池的負(fù)極是金屬鋰，正極用MnO2，SOCL2，(CFx)n等。70年代進(jìn)入實用化。因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中，如移動電話、便攜式計算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等、部分代替了傳統(tǒng)電池。3、鋰離子電池發(fā)展前景鋰離子電池以其特有的性能優(yōu)勢已在便攜式電器如手提電腦、攝像機(jī)、移動通訊中得到普遍應(yīng)用。目前開發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動汽車中開始試用，預(yù)計將成為21世紀(jì)電動汽車的主要動力電源之一，并將在人造衛(wèi)星、航空航天和儲能方面得到應(yīng)用。4、電池的基本性能(1)電池的開路電壓(2)電池的內(nèi)阻(3)電池的工作電壓(4)充電電壓充電電壓是指二次電池在充電時，外電源加在電池兩端的電壓。充電的基本方法有恒電流充電和恒電壓充電。一般采用恒電流充電，其特點時在充電過程中充電電流恒定不變。隨著充電的進(jìn)行，活性物質(zhì)被恢復(fù)，電極反應(yīng)面積不斷縮小，電機(jī)的極化逐漸增高。(5)電池容量電池容量是指從電池獲得電量的量，常用C表示，單位常用Ah或mAh表示。容量是電池電性能的重要指標(biāo)。電池的容量通常分為理論容量、實際容量和額定容量。電池容量由電極的容量決定，若電極的容量不等，電池的容量取決于容量小的那個電極，但決不是正負(fù)極容量之和。(6)電池的貯存性能和壽命化學(xué)電源的主要特點之一是在使用時能夠放出電能，不用時能貯存電能。所謂貯存性能對于二次電池來說為充電保持能力。對于二次電池，使用壽命時衡量電池性能好壞的一個重要參數(shù)。二次電池經(jīng)過一次充電和放電，稱為一個周期（或已此循環(huán)）。在一定的充放電制度下，電池容量達(dá)到某一規(guī)定值之前電池能經(jīng)受的充放電次數(shù)稱為二次電池的使用周期。鋰離子電池具有優(yōu)良的貯存性能和長的循環(huán)壽命。鋰電池-特征A. 高能量密度鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的40-50%，鎳氫的20-30%。B. 高電壓一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值)，相當(dāng)于三個串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。C. 無污染鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質(zhì)。D. 不含金屬鋰鋰離子電池不含金屬鋰，因而不受飛機(jī)運輸關(guān)于禁止在客機(jī)攜帶鋰電池等規(guī)定的限制。E. 循環(huán)壽命高在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過500次。F. 無記憶效應(yīng) 記憶效應(yīng)是指鎳鎘電池在充放電循環(huán)過程中，電池的容量減少的現(xiàn)象。鋰離子電池不存在這種效應(yīng)。G. 快速充電 使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器可以使鋰離子電池在一至兩個小時內(nèi)得到滿充。鋰電池-鋰電池原理和結(jié)構(gòu)1、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理：所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的，獨特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。以LiCoO2為例：電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時反之。這就需要一個電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物，包括SnO、SnO2、錫復(fù)合氧化物SnBxPyOz(x=0.40.6，y=0.60.4，z=(23x5y)/2)等。2、電池一般包括：正極（positive）、負(fù)極（negative）、電解質(zhì)（electrolyte）、隔膜（separator）、正極引線（positivelead）、負(fù)極引線（negativeplate）、中心端子、絕緣材料（insulator）、安全閥（safetyvent）、密封圈（gasket）、PTC（正溫度控制端子）、電池殼。一般大家較關(guān)心正極、負(fù)極、電解質(zhì)。鋰電池-離子電池結(jié)構(gòu)比較按正極材料不同分為鐵鋰、鈷鋰、錳鋰等；從外形分類一般分圓柱形和方形，而聚合物鋰離子還可制成任意形狀；根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithium ion battery, 簡稱為LIB)和固態(tài)鋰離子電池兩大類，聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡稱為PLIB)屬于固態(tài)鋰離子電池中的一種。電解質(zhì) 殼體/包裝 隔膜 集流體液態(tài)鋰離子電池 液態(tài) 不銹鋼、鋁 25PE 銅箔和鋁箔聚合物鋰離子電池 膠體聚合物 鋁/PP復(fù)合膜 沒有隔膜或個PE 銅箔和鋁箔鋰電池-鋰離子電池的性能、高能量密度與同等容量的或電池相比，鋰離子電池的重量輕，其體積比能量是這兩類電池的.倍。、高電壓鋰離子電池使用高電負(fù)性的含元素鋰電極，使其端電壓高達(dá).，這一電壓是或電池電壓的倍。、無污染，環(huán)保型、循環(huán)壽命長壽命超過次、高負(fù)載能力鋰離子電池可以大電流連續(xù)放電，從而使這種電池可被應(yīng)用于攝象機(jī)、手提電腦等大功率用電器上。、優(yōu)良的安全性由于使用優(yōu)良的負(fù)極材料，克服了電池充電過程中鋰枝晶的生長問題，使得鋰離子電池的安全性大大提高。同時采用特殊的可恢復(fù)配件，保證了電池在使用過程中的安全性。鋰電池-應(yīng)用隨著二十世紀(jì)微電子技術(shù)的發(fā)展，小型化的設(shè)備日益增多，對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進(jìn)入了大規(guī)模的實用階段。最早得以應(yīng)用于心臟起搏器中。由于鋰電池的自放電率極低，放電電壓平緩。使得起搏器植入人體長期使用成為可能。鋰電池一般有高于3.0伏的標(biāo)稱電壓，更適合作集成電路電源。二氧化錳電池，就廣泛用于計算機(jī)，計算器，照相機(jī)、手表中。應(yīng)用舉例1、作電池組維修代換品有許多電池組：如筆記本電腦上用的那種，經(jīng)維修發(fā)現(xiàn)，此電池組損壞時僅是個別電池有問題?？梢赃x用合適的單節(jié)鋰電池進(jìn)行更換。2、制作高亮微型電筒筆者曾用單節(jié)3.6V1.6AH鋰電池配合一個白色超高亮度發(fā)光管做成一只微型電筒，使用方便，小巧美觀。而且由于電池容量大，平均每晚使用半小時，至今已用兩個多月仍無需充電。3、代替3V電源由于單節(jié)鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節(jié)鋰電池便可代替兩節(jié)普通電池，給收音機(jī)、隨身聽、照相機(jī)等小家電產(chǎn)品供電，不僅重量輕，而且連續(xù)使用時間長。鋰電池-工藝保護(hù)電路由兩個場效應(yīng)管和專用保護(hù)集成塊S-8232組成，過充電控制管FET2和過放電控制管FET1串聯(lián)于電路，由保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，當(dāng)電池電壓上升至4.2V時，過充電保護(hù)管FET1截止，停止充電。為防止誤動作，一般在外電路加有延時電容。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)下，電池電壓降至2.55V時，過放電控制管FET1截止，停止向負(fù)載供電。過電流保護(hù)是在當(dāng)負(fù)載上有較大電流流過時，控制FET1使其截止，停止向負(fù)載放電，目的是為了保護(hù)電池和場效應(yīng)管。過電流檢測是利用場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻作為檢測電阻，監(jiān)視它的電壓降，當(dāng)電壓降超過設(shè)定值時就停止放電。在電路中一般還加有延時電路，以區(qū)分浪涌電流和短路電流。該電路功能完善，性能可靠，但專業(yè)性強(qiáng)，且專用集成塊不易購買，業(yè)余愛好者不易仿制。充電電路現(xiàn)在有不少商家出售不帶充電板的單節(jié)鋰電池。其性能優(yōu)越，價格低廉，可用于自制產(chǎn)品及鋰電池組的維修代換，因而深受廣大電子愛好者喜愛。有興趣的讀者可參照圖二制作一塊充電板。其原理是：采用恒定電壓給電池充電，確保不會過充。輸入直流電壓高于所充電池電壓3伏即可。R1、Q1、W1、TL431組成精密可調(diào)穩(wěn)壓電路，Q2、W2、R2構(gòu)成可調(diào)恒流電路，Q3、R3、R4、R5、LED為充電指示電路。隨著被充電池電壓的上升，充電電流將逐漸減小，待電池充滿后R4上的壓降將降低，從而使Q3截止， LED將熄滅，為保證電池能夠充足，請在指示燈熄滅后繼續(xù)充12小時。使用時請給Q2、Q3裝上合適的散熱器。本電路的優(yōu)點是：制作簡單，元器件易購，充電安全，顯示直觀，并且不會損壞電池通過改變W1可以對多節(jié)串聯(lián)鋰電池充電，改變W可以對充電電流進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)。缺點是：無過放電控制電路。鋰電池-總結(jié)由于聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質(zhì)不會象液體電液泄露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄。也不會產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池有所提高?；谝陨蟽?yōu)點，聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。鋰離子電池內(nèi)部成螺旋型結(jié)構(gòu)，正極與負(fù)極之間由一層具有許多細(xì)微小孔的薄膜紙隔開。鋰離子電池的正極采用鈷酸鋰，正極集流體是鋁箔；負(fù)極采用碳，負(fù)極集流體是銅箔，鋰離子電池的電解液是溶解了LiPF6的有機(jī)體。鋰離子電池蓋帽上有防爆孔，在內(nèi)部壓力過大的情況下，防爆孔會自動打開泄壓，以防止出現(xiàn)爆炸的現(xiàn)象。鋰離子電池的性能有哪些？、高能量密度與