鋰離子電池工作原理

1、鋰離子電池工作原理正極反應(yīng)：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。負極反應(yīng)：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。電池總反應(yīng)以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出， 又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在Li-ion

2、的充放電過程中，鋰離子處于從正極負極正極的運動狀態(tài)。Li-ion Batteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在搖椅來回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫搖椅式電池。 一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內(nèi)部的電化學反應(yīng)需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產(chǎn)生泡沫，反而不滿。正極正極材料：可選正極材料很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。 正極反應(yīng)：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。充電時：LiFePO? Li1-xFePO? + xLi + xe 放電時：

3、Li1-xFePO?+ xLi + xe LiFePO? 不同的正極材料對照：正極材料平均輸出電壓能量密度LiCoO?3.7 V140 mAh/gLi2MnO33.7 V100 mAh/gLiFePO43.2 V130 mAh/gLi2FePO?F3.6 V115 mAh/g負極負極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。 負極反應(yīng)：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。充電時：xLi + xe + 6C LixC6 放電時：LixC6 xLi + xe + 6C 鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之

4、間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。組成部分鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列：（1）正極活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料，電動自行車則普遍用鎳鈷錳酸鋰（俗稱三元）或者三元+少量錳酸鋰，純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導(dǎo)電集流體使用厚度10-20微米的電解鋁箔。（2）隔膜一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。（3）負極活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅

5、箔。（4）有機電解液溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液。（5）電池外殼分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負極引出端。工作效率鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，好的電池，每月在2%以下（可恢復(fù)）。沒有記憶效應(yīng)。工作溫度范圍寬為-2060。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大。使用壽命長。不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。電解質(zhì)溶液溶質(zhì)：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。溶劑：由于電池的工作電壓遠高于水的

6、分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機溶劑常常在充電時破壞石墨的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase，SEI)導(dǎo)致電極鈍化。有機溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。優(yōu)點1）電壓高單體電池的工作電壓高達3.7-3.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍。2）比能量大能達到的實際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH），已接近于其理論值的約88%。3）循環(huán)壽命長一般均可達到500次

7、以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達到2000次以上。對于小電流放電的電器,電池的使用期限，將倍增電器的競爭力。4）安全性能好無公害，無記憶效應(yīng).作為Li-ion前身的鋰電池，因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路，縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。5）自放電小室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。6) 快速充電1C充電30分鐘容量可以達到標稱容量的80%以上，磷

8、鐵電池可以達到10分鐘充電到標稱容量的90%。7) 工作溫度工作溫度為-2545°C，隨著電解液和正極的改進，期望能擴寬到-4070°C。超級電容器工作原理概述超級電容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、電化學電容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視

9、為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。超級電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場作

10、用下產(chǎn)生的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大，因此，可在無負載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過電壓充電的情況，雙電層電容器將會開路而不致?lián)p壞器件，這一特點與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時，雙電層電容器與可充電電池相比，可進行不限流充電，且充電次數(shù)可達106次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。工作原理超級電容器是利用雙電層原理的電容器。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板

11、上時，與普通電容器一樣，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)（通常為3V以下），如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。由于隨著超級電容器放電 ，正、負極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。由此可以看

12、出：超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應(yīng)。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學反應(yīng)的蓄電池是不同的。分類超級電容器的類型比較多，按不同方式可以分為多種產(chǎn)品，以下作簡單介紹。按原理分為雙電層型超級電容器和贗電容型超級電容器：雙電層型超級電容器分類多樣1.活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過成型制備電極。2.碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料，如布、氈等經(jīng)過增強，噴涂或熔融金屬增強其導(dǎo)電性制備電極。3.碳氣凝膠電極材料，采用前驅(qū)材料制備凝膠，經(jīng)過炭化活化得到電極材料。4.碳納米管電極材料，碳納米管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優(yōu)良的超級

13、電容器電極。以上電極材料可以制成：1.平板型超級電容器，在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級電容器，可以達到300V以上的工作電壓。2.繞卷型溶劑電容器，采用電極材料涂覆在集流體上，經(jīng)過繞制得到，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。贗電容型超級電容器包括金屬氧化物電極材料與聚合物電極材料，金屬氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作為正極材料，活性炭作為負極材料制備的超級電容器，導(dǎo)電聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等經(jīng)P型或N型或P/N型摻雜制取電極，以此制備超級電容器。這一類型超級電

14、容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它類型多處于研究階段，還沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。按電解質(zhì)類型可以分為水性電解質(zhì)和有機電解質(zhì)類型：水性電解質(zhì)1.酸性電解質(zhì)，多采用36%的H2SO4水溶液作為電解質(zhì)。2.堿性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑。3.中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。有機電解質(zhì)通常采用LiClO4為典型代表的鋰鹽、TEABF4作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì)，有機溶劑如PC、ACN、GBL、THL等有機溶劑作為溶劑，電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度。優(yōu)點1）充電速度快，充電10秒10分鐘可達到其

15、額定容量的95以上； （2）循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達150萬次，沒有“記憶效應(yīng)”； （3）大電流放電能力超強，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率90%； （4）功率密度高，可達300W/KG5000W/KG，相當于電池的510倍； （5）產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源； （6）充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護； （7）超低溫特性好，溫度范圍寬-40+70； （8）檢測方便，剩余電量可直接讀出； （9）容量范圍通常0.1F-1000F 。 法拉（farad），簡稱“法”，符號是F 1

16、法拉是電容存儲1庫侖電量時，兩極板間電勢差是1伏特1F=1C/1V 1庫侖是1A電流在1s內(nèi)輸運的電量，即1C=1A·S。 1庫侖=1安培·秒 1法拉=1安培·秒/伏特燃料電池燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。燃料電池涉及化學熱力學、電化學、電催化、材料科學、電力系統(tǒng)及自動控制等學科的有關(guān)理論，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點?？偟膩碚f，燃料電池具有以下特點：能量轉(zhuǎn)化效率

17、高；它直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料電池系統(tǒng)的燃料電能轉(zhuǎn)換效率在45%60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%40%。安裝地點靈活；燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。燃料電池無論作為集中電站還是分布式電站，或是作為小區(qū)、工廠、大型建筑的獨立電站都非常合適。負荷響應(yīng)快，運行質(zhì)量高；燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。組件燃料電池的主要構(gòu)成組件為：電極（Electrode）、電解質(zhì)隔膜（Electrolyte Membrane）與集電器（Current Collector）等。 1、電極 燃

18、料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學反應(yīng)場所，其性能的好壞關(guān)鍵在于觸媒的性能、電極的材料與電極的制程等。 電極主要可分為兩部分，其一為陽極（Anode），另一為陰極（Cathode），厚度一般為200500mm；其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實際工作電流密度與降低極化作用，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積，而此也是燃料電池當初所以能從理論研究階段步入實用化階段的重要關(guān)鍵原因之一。

19、 目前高溫燃料電池之電極主要是以觸媒材料制成，例如固態(tài)氧化物燃料電池（簡稱SOFC）的Y2O3stabilizedZrO2（簡稱YSZ）及熔融碳酸鹽燃料電池（簡稱MCFC）的氧化鎳電極等，而低溫燃料電池則主要是由氣體擴散層支撐一薄層觸媒材料而構(gòu)成，例如磷酸燃料電池（簡稱PAFC）與質(zhì)子交換膜燃料電池（簡稱PEMFC）的白金電極等。 2、電解質(zhì)隔膜 電解質(zhì)隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子，故電解質(zhì)隔膜越薄越好，但亦需顧及強度，就現(xiàn)階段的技術(shù)而言，其一般厚度約在數(shù)十毫米至數(shù)百毫米；至于材質(zhì)，目前主要朝兩個發(fā)展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、鋁酸鋰（LiAl

20、O3）膜等絕緣材料制成多孔隔膜，再浸入熔融鋰鉀碳酸鹽、氫氧化鉀與磷酸等中，使其附著在隔膜孔內(nèi)，另一則是采用全氟磺酸樹脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。 3、集電器 集電器又稱作雙極板（Bipolar Plate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等之功用，集電器的性能主要取決于其材料特性、流場設(shè)計及其加工技術(shù)。特點與原理由于燃料電池能將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒有像通常的火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達到很高的發(fā)電效率。同時還有以下一些特點：不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發(fā)電效率；不管裝置規(guī)模大小均能保

21、持高發(fā)電效率；具有很強的過負載能力；通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機組的容量的自由度大；電池本體的負荷響應(yīng)性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；用天然氣和煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個反應(yīng)是電解水的逆過程。電極應(yīng)為： 負極：H2 +2OH-2H2O +2e-正極：1/2O2 H2O 2e-2OH-電池反應(yīng)：H2 1/2O2=H2O另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。分類燃料電池可分為很多種類型。按燃料的處理

22、方式的不同，可分為直接式、間接式和再生式。直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學燃料電池等。按照電解質(zhì)類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質(zhì)型燃料電池。優(yōu)缺點燃料電池的優(yōu)勢，科技手段中，尚沒有一項能源生成技術(shù)能如燃料電池一樣將諸多優(yōu)點集合于一身。能源安全性。高可靠度供電。燃料多樣性。高效能。環(huán)境親和性。可彈性設(shè)置/用途廣。太陽能電池“光生伏特效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”，英文名稱：Photovoltaic effect。指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之

23、間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程；其次，是形成電壓過程。有了電壓，就像筑高了大壩，如果兩者之間連通，就會形成電流的回路。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應(yīng)工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段。原理太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，光生空穴流向p區(qū)，光生電子流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。太陽能發(fā)電有兩種方式，一種是光熱電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光電直接轉(zhuǎn)換方式?；咎匦蕴柲茈姵氐幕咎匦杂刑?/p>

24、能電池的極性、太陽電池的性能參數(shù)、太陽能電環(huán)保電池的伏安特性三個基本特性。具體解釋如下1、太陽能電池的極性硅太陽能電池的一般制成P+/N型結(jié)構(gòu)或N+/P型結(jié)構(gòu)，P+和N+，表示太陽能電池正面光照層半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型;N和P，表示太陽能電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型。太陽能電池的電性能與制造電池所用半導(dǎo)體材料的特性有關(guān)。2、太陽電池的性能參數(shù)太陽電池的性能參數(shù)由開路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等組成。這些參數(shù)是衡量太陽能電池性能好壞的標志。3太陽能電池的伏安特性P-N結(jié)太陽能電池包含一個形成于表面的淺P-N結(jié)、一個條狀及指狀的正面歐姆接觸、一個涵蓋整個背部表面的背面歐姆接

25、觸以及一層在正面的抗反射層。當電池暴露于太陽光譜時，能量小于禁帶寬度Eg的光子對電池輸出并無貢獻。能量大于禁帶寬度Eg的光子才會對電池輸出貢獻能量Eg，大于Eg的能量則會以熱的形式消耗掉。因此，在太陽能電池的設(shè)計和制造過程中，必須考慮這部分熱量對電池穩(wěn)定性、壽命等的影響。分類太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式（以下表示為a-）兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形（a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等）、V族（GaAs,InP等）、族（Cds系）和磷化鋅 (Zn 3

26、 p 2 ）等。太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池，其中硅太陽能電池是發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。課件：小結(jié)：掃描速度增大，炭的比容量下降，不同的炭有不同的下降速率。對于比表面積較大且以微孔為主的炭，掃描速度較小時具有很大的比容量，但當掃描速度增加時，比容量下降得非?？?。對于中大孔為主的炭，雖然在較小的掃描速度比容量不大，但是隨著掃描速度的增加，比容量減少得比較小。PEMFC質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是PEMFC的關(guān)鍵部位，它直接影響電池性能與壽命。用于PEMFC的質(zhì)子交換膜必須滿足下述條件：1. 具有高的H+傳導(dǎo)能力，一般而言電導(dǎo)率要達到0.1S/cm的數(shù)量級；2. 良好的化學和電化學特性；3. 低的反應(yīng)氣體如氫、氧氣的滲透參數(shù)；4. 制作時有一定的粘彈性，以