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锂离子电池工作原理及分类



  锂离子电池工作原理及分类_能源/化工_工程科技_专业资料。浅谈锂离子电池工作原理 1.锂离子电池工作原理—简介 锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离 子的化合物作为正负极构成的二次电池。电池充电时,阴极 中锂原子电离成锂离子和电子,并且锂离子向阳极

  浅谈锂离子电池工作原理 1.锂离子电池工作原理—简介 锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离 子的化合物作为正负极构成的二次电池。电池充电时,阴极 中锂原子电离成锂离子和电子,并且锂离子向阳极运动与电 子合成锂原子。放电时,锂原子从石墨晶体内阳极表面电离 成锂离子和电子,并在阴极处合成锂原子。所以,在该电池 中锂永远以锂离子的形态出现,不会以金属锂的形态出现, 所以这种电池叫做锂离子电池。 2.锂离子电池工作原理—结构 锂离子电池是前几年出现的金属锂蓄电池的替代产品, 电池的主要构成为正负极、电解质、隔膜以及外壳。 正极---采用能吸藏锂离子的碳极,放电时,锂变成锂 离子,脱离电池阳极,到达锂离子电池阴极。 负极 ---- 材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入 锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、 中间相小球碳素等和金属氧化物。 电解质---采用 LiPF6 的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂和低 粘度二乙基碳酸脂等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。 隔膜---采用聚烯微多孔膜如 PE、PP 或它们复合膜,尤 其是 PP/PE/PP 三层隔膜不仅熔点较低,而且具有较高的抗 穿刺强度,起到了热保险作用。 外壳---采用钢或铝材料,盖体组件具有防爆断电的功 能。 3.锂离子电池工作原理 锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。 当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生 成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状 结构,它有很多微孔,到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微 孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。此时正极发生的 化学反应为: charge 正极反应 LiCoO2 discharge 同样道理,当对电池进行放电时(即我们使用电池的 过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回到正极。 回到正极的锂离子越多,放电容量越高。我们通常所说的电 池容量指的就是放电容量。此时负极发生的化学反应为: charge 负极反应 C +xLi +xe + - Li1-x CoO2 +xLi++xe- C Lix discharge 不难看出,在锂离子电池的充放电过程中,锂离子处于 从正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电 池形象地比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂 离子就象优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。所以, 专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。 锂离子电池分类 依据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可以 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。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都 是相同的,电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在 于电解质的不同 , 锂离子电池使用的是液体电解质 , 而聚 合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替 , 这种聚合 物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用 聚合物胶体电解质。 聚合物锂离子电池可分为三类: (1)固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物 与盐的混合物,这种电池在常温下的离子电导率低,适于高 温使用。 (2)凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物 电解质中加入增塑剂等添加剂,从而提高离子电导率,使电 池可在常温下使 用。 (3)聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物 作为正极材料,其比能量是现有锂离子电池的 3 倍,是最新 一代的锂离子电池。由于用固体电解质代替了液体电解质 , 与液态锂离子电池相比,聚合物锂离子电池具有可薄形化、 任意面积化与任意形状化等优点,也不会产生漏液与燃烧爆 炸等安全上的问题,因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外 壳,从而可以提高整个电池的比容量;聚合物锂离子电池还 可以采用高分子作正极材料,其质量比能量将会比目前的液 态锂离子电池提高 50%以上。此外,聚合物锂离子电池在工 作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。 基于以上优点,聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电 池。 聚合物锂离子的发展趋势展望 聚合物锂离子电池在全球技术成熟并商业化已经 2 年多 时间了,虽然销量在快速增长,但其市场份额尚低于 10%, 与液态锂电 90%的市场份额无法相比, 大大低于人们的预期。 由于各种原因,目前市场上聚合物的价格普遍要高于液态锂 电,但是,由于移动电器的竞争模式正在悄悄地发生变化, 特别是聚合物电池给移动电器带来的设计价值创新 (如 4mm 厚度以下的优越性能、大型规格电池),聚合物电池正被越 来越多的手机、移动 DVD 等设计人员所认识,因而聚合物厂 商还是信心十足,坚信聚合物的时代一定会到来。可以从手 机的发展看聚合物锂离子电池的发展趋势。目前手机有以下 几个发展趋势: (1) 手机本身向小型化、超薄化方向发展,以方便消费 者的携带; (2) 手机设计的个性化,表现在设计理念已经不再是原 来方方正正的形状,不规则形状、曲线、弧面设计造型成为 手机设计美学化的主流; (3) 使用彩屏、手机功能的不断增加。为了使手机小型 化,电池减小、减薄是一个最有效的途径。4mm 以下厚度电 池有成为薄型手机配置的主流趋势,从性价比来讲,这是聚 合物的特长。不规则形状、曲线、弧面设计造型的手机给电 池留下的有效空间变成了不规则形状。液态的长方型不能有 效利用空间,容量较低,而叠片式聚合物可以将这种不规则 空间最有效地利用起来,使容量放大。最近 TCL 金能公司推 出的圆弧型电池、梯形电池、背包电池能使手机比使用相应 规格的液态电池容量增加 50%以上。手机功能越来越多,导 致耗电越来越多。要求电池容量相应地增加。在不增加电池 厚度的情况下,聚合电池是有明显优势的。与此相似,笔记 本电脑、蓝牙耳机、小灵通手机、移动 DVD 等电器都在向移 动、便携化方向发展,都配上了液晶显示,而且功能在不断 增多,液晶屏幕在不断增大。这些都给聚合物锂离子电池提 供了无限的商机。