鋰電池常見理論

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、鋰電池與鋰離子電池鋰電池的特點1、具有更高的能量重量比、能量體積比； 2、電壓高，單節(jié)鋰電池電壓為3.6V，等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓； 3、自放電小可長時間存放，這是該電池最突出的優(yōu)越性； 4、無記憶效應(yīng)。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應(yīng)，所以鋰電池充電前無需放電； 5、壽命長。正常工作條件下，鋰電池充/放電循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于500次； 6、可以快速充電。鋰電池通常可以采用0.51倍容量的電流充電，使充電時間縮短至12小時； 7、可以隨意并聯(lián)使用； 8、由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對環(huán)境無污染，是當(dāng)代最先進(jìn)的綠色電池； 鋰離子電池具有以下優(yōu)點：

2、 1、電壓高，單體電池的工作電壓高達(dá)3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍2、比能量大，目前能達(dá)到的實際比能量為100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH），未來隨著技術(shù)發(fā)展，比能量可高達(dá)150Wh/kg和400 Wh/L 3、循環(huán)壽命長，一般均可達(dá)到500次以上，甚至1000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

3、存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)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10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。6、可快速充放電，1C充電是容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上。7、工作溫度范圍高，工作溫度為-2545°C，隨著電解質(zhì)和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-4070°C。 鋰離子電池也存在著一定的缺點，如： 1、電池成本較高。主要表現(xiàn)在正極材料LiCoO2的價格高（Co的資源較少），電解質(zhì)體系提純困難。 2、不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對其

4、他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。 3、需要保護(hù)線路控制。 A、過充保護(hù)：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恒壓下充電； B、過放保護(hù)：過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)線路控制。 摘要：綜述了鋰離子電池的發(fā)展趨勢，簡述了鋰離子電池的充放電機(jī)理理論研究狀況，總結(jié)歸納了作為核心技術(shù)的鋰電池正負(fù)電極材料的現(xiàn)有的制備理論和近來發(fā)展動態(tài)，評述了正極材料和負(fù)極材料的各種制備方法和發(fā)展前景，重點介紹了目前該領(lǐng)域的問題和改進(jìn)發(fā)展情況。成本高。與其它可充

5、電池相比，鋰電池價格較貴。二、鋰離子電池相關(guān)參數(shù)1.容量這是大家比較關(guān)心的一個參數(shù)。智能手機(jī)早已普及，我們在使用智能手機(jī)的時候，最為擔(dān)心的就是電量不足，需要頻繁充電，有時還找不到地方充電。早期的功能機(jī)，正常使用情況下，滿充的電池可以待機(jī)35天，一些產(chǎn)品甚至可以待機(jī)7天以上?？墒堑搅酥悄軝C(jī)時代，待機(jī)時間就顯得慘不忍睹了。這里面很重要的一個原因，就是手機(jī)的功耗越來越大，而電池的容量卻沒有同比例的增長。容量的單位一般為“mAh”(毫安時)或“Ah”(安時)，在使用時又有額定容量和實際容量的區(qū)別。額定容量是指滿充的鋰離子電池在實驗室條件下(比較理想的溫濕度環(huán)境)，以某一特定的放電倍率(C-rate)放

6、電到截止電壓時，所能夠提供的總的電量。實際容量一般都不等于額定容量，它與溫度、濕度、充放電倍率等直接相關(guān)。一般情況下，實際容量比額定容量偏小一些，有時甚至比額定容量小很多，比如北方的冬季，如果在室外使用手機(jī)，電池容量會迅速下降。2.能量密度能量密度，指的是單位體積或單位重量的電池，能夠存儲和釋放的電量，其單位有兩種：Wh/kg，Wh/L，分別代表重量比能量和體積比能量。這里的電量，是上面提到的容量(Ah)與工作電壓(V)的積分。在應(yīng)用的時候，能量密度這個指標(biāo)比容量更具有指導(dǎo)性意義。基于當(dāng)前的鋰離子電池技術(shù)，能夠達(dá)到的能量密度水平大約在100200Wh/kg，這一數(shù)值還是比較低的，在許多場合都成

7、為鋰離子電池應(yīng)用的瓶頸。這一問題同樣出現(xiàn)在電動汽車領(lǐng)域，在體積和重量都受到嚴(yán)格限制的情況下，電池的能量密度決定了電動汽車的單次最大行駛里程，于是出現(xiàn)了“里程焦慮癥”這一特有的名詞。如果要使得電動汽車的單次行駛里程達(dá)到500公里(與傳統(tǒng)燃油車相當(dāng))，電池單體的能量密度必須達(dá)到300Wh/kg以上。鋰離子電池能量密度的提升，是一個緩慢的過程，遠(yuǎn)低于集成電路產(chǎn)業(yè)的摩爾定律，這就造成了電子產(chǎn)品的性能提升與電池的能量密度提升之間存在一個剪刀差，并且隨著時間不斷擴(kuò)大。3.充放電倍率這個指標(biāo)會影響鋰離子電池工作時的連續(xù)電流和峰值電流，其單位一般為C(C-rate的簡寫)，如1/10C，1/5C，1C，5C，

8、10C等。舉個例子來闡述倍率指標(biāo)的具體含義，某電池的額定容量是10Ah，如果其額定充放電倍率是1C，那么就意味著這個型號的電池，可以以10A的電流，進(jìn)行反復(fù)的充放電，一直到充電或放電的截止電壓。如果其最大放電倍率是10C10s，最大充電倍率5C10s，那么該電池可以以100A的電流進(jìn)行持續(xù)10秒的放電，以50A的電流進(jìn)行持續(xù)10秒的充電。充放電倍率對應(yīng)的電流值乘以工作電壓，就可以得出鋰離子電池的連續(xù)功率和峰值功率指標(biāo)。充放電倍率指標(biāo)定義的越詳細(xì)，對于使用時的指導(dǎo)意義越大。尤其是作為電動交通工具動力源的鋰離子電池，需要規(guī)定不同溫度條件下的連續(xù)和脈沖倍率指標(biāo)，以確保鋰離子電池使用在合理的范圍之內(nèi)。

9、4.電壓鋰離子電池的電壓，有開路電壓、工作電壓、充電截止電壓、放電截止電壓等一些參數(shù)，本文不再分開一一論述，而是集中做個解釋。開路電壓，顧名思義，就是電池外部不接任何負(fù)載或電源，測量電池正負(fù)極之間的電位差，此即為電池的開路電壓。工作電壓，就是電池外接負(fù)載或電源，處在工作狀態(tài)，有電流流過時，測量所得的正負(fù)極之間的電位差。一般來說，由于電池內(nèi)阻的存在，放電狀態(tài)時的工作電壓低于開路電壓，充電時的工作電壓高于開路電壓。充/放電截止電壓，是指電池允許達(dá)到的最高和最低工作電壓。超過了這一限值，會對電池產(chǎn)生一些不可逆的損害，導(dǎo)致電池性能的降低，嚴(yán)重時甚至造成起火、爆炸等安全事故。電池的開路電壓和工作電壓，與

10、電池的容量存在一定的對應(yīng)關(guān)系。5.壽命鋰離子電池的壽命會隨著使用和存儲而逐步衰減，并且會有較為明顯的表現(xiàn)。仍然以智能手機(jī)為例，使用過一段時間的手機(jī)，可以很明顯的感覺到手機(jī)電池“不耐用”了，剛開始可能一天只充一次，后面可能需要一天充電兩次，這就是電池壽命不斷衰減的體現(xiàn)。鋰離子電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個參數(shù)。循環(huán)壽命一般以次數(shù)為單位，表征電池可以循環(huán)充放電的次數(shù)。當(dāng)然這里也是有條件的，一般是在理想的溫濕度下，以額定的充放電電流進(jìn)行深度的充放電(100% DOD或者80%DOD)，計算電池容量衰減到額定容量的80%時，所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。日歷壽命的定義則比較復(fù)雜，電池不可能一直在充放電，有存

11、儲和擱置，也不可能一直處于理想環(huán)境條件，會經(jīng)歷各種溫濕度條件，充放電的倍率也是時刻在變化的，所以實際的使用壽命就需要模擬和測試。簡單的說，日歷壽命就是電池在使用環(huán)境條件下，經(jīng)過特定的使用工況，達(dá)到壽命終止條件(比如容量衰減到80%)的時間跨度。日歷壽命與具體的使用要求是緊密結(jié)合的，通常需要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲間隔等。日歷壽命比循環(huán)壽命更具有實際意義，但由于日歷壽命的測算非常復(fù)雜，而且耗時太長，所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。如需要獲得日歷壽命的數(shù)據(jù)，通常要額外付費，且要等待很長時間。6.內(nèi)阻鋰離子電池的內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力，它包括歐姆內(nèi)阻和極化

12、內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化內(nèi)阻和濃差極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解質(zhì)、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極極化和濃差極化引起的電阻。內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(m)，內(nèi)阻大的電池，在充放電的時候，內(nèi)部功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，會造成鋰離子電池的加速老化和壽命衰減，同時也會限制大倍率的充放電應(yīng)用。所以，內(nèi)阻做的越小，鋰離子電池的壽命和倍率性能就會越好。7.自放電電池在放置的時候，其容量是在不斷下降的，容量下降的速率稱為自放電率，通常以百分?jǐn)?shù)表示：%/月。自放電是我們不希望看到的，一個充滿電的電池，放個幾個月，電量就會少很多，所以我們希望鋰離子電池

13、的自放電率越低越好。這里需要特別注意，一旦鋰離子電池的自放電導(dǎo)致電池過放，其造成的影響通常是不可逆的，即使再充電，電池的可用容量也會有很大損失，壽命會快速衰減。所以長期放置不用的鋰離子電池，一定要記得定期充電，避免因為自放電導(dǎo)致過放，性能受到很大影響。8.工作溫度范圍由于鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)材料的特性，鋰離子電池有一個合理的工作溫度范圍(常見的數(shù)據(jù)在-4060之間)，如果超出了合理的范圍使用，會對鋰離子電池的性能造成較大的影響。不同材料的鋰離子電池，其工作溫度范圍也是不一樣的，有些具有良好的高溫性能，有些則能夠適應(yīng)低溫條件。鋰離子電池的工作電壓、容量、充放電倍率等參數(shù)都會隨著溫度的變化而發(fā)生非常

14、顯著的變化。長時間的高溫或低溫使用，也會使得鋰離子電池的壽命加速衰減。因此，努力創(chuàng)造一個適宜的工作溫度范圍，才能夠最大限度的提升鋰離子電池的性能。除了工作溫度有限制之外，鋰離子電池的存儲溫度也是有嚴(yán)格約束的，長期高溫或低溫存儲，都會對電池性能造成不可逆的影響。二、鋰離子電池的正負(fù)極材料我們經(jīng)常會看到磷酸鐵鋰，三元等專業(yè)的鋰離子電池術(shù)語，這些都是根據(jù)鋰離子電池正極材料來區(qū)分鋰離子電池的類型。相對來講，鋰離子電池的正、負(fù)極材料對電池性能的影響比較大，是大家比較關(guān)心的方面。那么，當(dāng)前市場上都有哪些常見的正負(fù)極材料呢？用他們做鋰離子電池，又有哪些優(yōu)缺點？1.正極材料首先，我們來看看正極材料，正極材料的

15、選擇，主要基于以下幾個因素考慮：1)具有較高的氧化還原反應(yīng)電位，使鋰離子電池達(dá)到較高的輸出電壓；2)鋰元素含量高，材料堆積密度高，使得鋰離子電池具有較高的能量密度；3)化學(xué)反應(yīng)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要好，使得鋰離子電池具有長循環(huán)壽命；4)電導(dǎo)率要高，使得鋰離子電池具有良好的充放電倍率性能；5)化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要好，不易分解和發(fā)熱，使得鋰離子電池具有良好的安全性；6)價格便宜，使得鋰離子電池的成本足夠低；7)制造工藝相對簡單，便于大規(guī)模生產(chǎn)；8)對環(huán)境的污染低，易于回收利用。當(dāng)前，鋰離子電池的能量密度、充放電倍率、安全性等一些關(guān)鍵指標(biāo)，主要受制于正極材料。2.負(fù)極材料相對而言，針對鋰離子電池負(fù)極

16、材料的研究，沒有正極材料那么多，但是負(fù)極材料對鋰離子電池性能的提高仍起著至關(guān)重要的作用，鋰離子電池負(fù)極材料的選擇應(yīng)主要考慮以下幾個條件：1)應(yīng)為層狀或隧道結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的脫嵌；2)在鋰離子脫嵌時無結(jié)構(gòu)上的變化，具有良好的充放電可逆性和循環(huán)壽命；3)鋰離子在其中應(yīng)盡可能多的嵌入和脫出，以使電極具有較高的可逆容量；4)氧化還原反應(yīng)的電位要低，與正極材料配合，使電池具有較高的輸出電壓；5)首次不可逆放電比容量較??；6)與電解質(zhì)溶劑相容性好；7)資源豐富、價格低廉；8)安全性好；9)環(huán)境友好。鋰離子電池負(fù)極材料的種類繁多，根據(jù)化學(xué)組成可以分為金屬類負(fù)極材料(包括合金)、無機(jī)非金屬類負(fù)極材料及金屬氧

17、化物類負(fù)極材料。(1)金屬類負(fù)極材料：這類材料多具有超高的嵌鋰容量。最早研究的負(fù)極材料是金屬鋰。由于電池的安全問題和循環(huán)性能不佳，金屬鋰作為負(fù)極材料并未得到廣泛應(yīng)用。近年來，合金類負(fù)極材料得到了比較廣泛的研究，如錫基合金，鋁基合金、鎂基合金、銻基合等，是一個新的方向。(2)無機(jī)非金屬類負(fù)極材料：用作鋰離子電池負(fù)極的無機(jī)非金屬材料主要是碳材料、硅材料及其它非金屬的復(fù)合材料。(3)過渡金屬氧化物材料：這類材料一般具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)壽命長等優(yōu)點，如鋰過渡氧化物(鈦酸鋰等)、錫基復(fù)合氧化物等。就當(dāng)前的市場而言，在大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用方面，負(fù)極材料仍然以碳材料為主，石墨類和非石墨類碳材料都有應(yīng)用。在汽車及電

18、動工具領(lǐng)域，鈦酸鋰作為負(fù)極材料也有一定的應(yīng)用，主要是具有非常優(yōu)異的循環(huán)壽命、安全性和倍率性能，但是會降低電池的能量密度，因此不是市場主流。其他類型的負(fù)極材料，除了SONY在錫合金方面有產(chǎn)品推出，大多仍以科學(xué)研究和工程開發(fā)為主，市場化應(yīng)用的比較少。三、定義鋰離子電池:是一種二次(充電電池)，它主要依靠在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時則相反。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。4、 結(jié)構(gòu)及工作原理1、當(dāng)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。

19、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。2、做為負(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=(2 3x5y)/2)等。3、電解質(zhì)采用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）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。4、隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。