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鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。最早出現的鋰電池來自於偉大的發明家愛迪生。

1 鋰電池 -鋰電池

鋰電池鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。最早出現的鋰電池來自於偉大的發明家愛迪生。

由於鋰金屬的化學特性非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環境要求非常高。所以,鋰電池長期沒有得到應用。

隨著二十世紀微電子技術的發展,小型化的設備日益增多,對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進入了大規模的實用階段。

最早得以應用於心臟起搏器中。由於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。

鋰電池一般有高於3.0伏的標稱電壓,更適合作集成電路電源。二氧化錳電池,就廣泛用於計算機,計算器,照相機、手錶中。


為了開發出性能更優異的品種,人們對各種材料進行了研究。從而製造出前所未有的產品。比如,鋰二氧化硫電池和鋰亞硫醯氯電池就非常有特點。它們的正極活性物質同時也是電解液的溶劑。這種結構只有在非水溶液的電化學體系才會出現。所以,鋰電池的研究,也促進了非水體系電化學理論的發展。除了使用各種非水溶劑外,人們還進行了聚合物薄膜電池的研究。


1992年Sony成功開發鋰離子電池。它的實用化,使人們的行動電話、筆記本電腦等攜帶型電子設備重量和體積大大減小。使用時間大大延長。由於鋰離子電池中不含有重金屬鉻,與鎳鉻電池相比,大大減少了對環境的污染。
1、鋰離子電池
鋰離子電池目前由液態鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。其中,液態鋰離子電池是指 Li +嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極採用鋰化合物LiCoO2或LiMn2O4,負極採用鋰-碳層間化合物。鋰離子電池由於工作電壓高、體積小、質量輕、能量高、無記憶效應、無污染、自放電小、循環壽命長,是21世紀發展的理想能源。
2、鋰離子電池發展簡史
鋰電池和鋰離子電池是20世紀開發成功的新型高能電池。這種電池的負極是金屬鋰,正極用MnO2,SOCL2,(CFx)n等。70年代進入實用化。因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度範圍寬、貯存壽命長等優點,已廣泛應用于軍事和民用小型電器中,如行動電話、攜帶型計算機、攝像機、照相機等、部分代替了傳統電池。
3、鋰離子電池發展前景
  鋰離子電池以其特有的性能優勢已在攜帶型電器如手提電腦、攝像機、移動通訊中得到普遍應用。目前開發的大容量鋰離子電池已在電動汽車中開始試用,預計將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一,並將在人造衛星、航空航天和儲能方面得到應用。
4、電池的基本性能
(1)電池的開路電壓
(2)電池的內阻
(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。充電的基本方法有恆電流充電和恆電壓充電。一般採用恆電流充電,其特點時在充電過程中充電電流恆定不變。隨著充電的進行,活性物質被恢復,電極反應面積不斷縮小,電機的極化逐漸增高。
(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。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,電池的容量取決於容量小的那個電極,但決不是正負極容量之和。
(6)電池的貯存性能和壽命
化學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。所謂貯存性能對於二次電池來說為充電保持能力。
對於二次電池,使用壽命時衡量電池性能好壞的一個重要參數。二次電池經過一次充電和放電,稱為一個周期(或已此循環)。在一定的充放電制度下,電池容量達到某一規定值之前電池能經受的充放電次數稱為二次電池的使用周期。鋰離子電池具有優良的貯存性能和長的循環壽命。

2 鋰電池 -特徵

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),相當於三個串聯的鎳鎘或鎳氫電池。
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。
D. 不含金屬鋰
鋰離子電池不含金屬鋰,因而不受飛機運輸關於禁止在客機攜帶鋰電池等規定的限制。
E. 循環壽命高
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
  記憶效應是指鎳鎘電池在充放電循環過程中,電池的容量減少的現象。鋰離子電池不存在這種效應。
G. 快速充電
  使用額定電壓為4.2V的恆流恆壓充電器可以使鋰離子電池在一至兩個小時內得到滿充。

3 鋰電池 -鋰電池原理和結構

1、鋰離子電池的結構與工作原理: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極構成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電工作的,獨特機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:⑴電池充電時,鋰離子從正極中脫嵌,在負極中嵌入,放電時反之。這就需要一個電極在組裝前處於嵌鋰狀態,一般選擇相對鋰而言電位大於3V且在空氣中穩定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。⑵為負極的材料則選擇電位儘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、錫複合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2+3x+5y)/2)等。

鋰電池

2、電池一般包括:正極(positive)、負極(negative)、電解質(electrolyte)、隔膜(separator)、正極引線(positivelead)、負極引線(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。一般大家較關心正極、負極、電解質。

鋰電池

4 鋰電池 -離子電池結構比較

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製成任意形狀;

根據鋰離子電池所用電解質材料不同,鋰離子電池可以分為液態鋰離子電池(lithium ion battery, 簡稱為LIB)和固態鋰離子電池兩大類,聚合物鋰離子電池(polymer lithium ion battery, 簡稱為PLIB)屬於固態鋰離子電池中的一種。

 電解質殼體/包裝隔膜集流體
液態鋰離子電池液態不鏽鋼、鋁25μPE銅箔和鋁箔
聚合物鋰離子電池膠體聚合物鋁/PP複合膜沒有隔膜或個μPE銅箔和鋁箔

5 鋰電池 -鋰離子電池的性能

1、高能量密度

與同等容量的NI/CD或NI/MH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1.5~2倍。

2、高電壓

鋰離子電池使用高電負性的含元素鋰電極,使其端電壓高達3.7V,這一電壓是NI/CD或NI/MH電池電壓的3倍。

3、無污染,環保型

4、循環壽命長

壽命超過500次

5、高負載能力

鋰離子電池可以大電流連續放電,從而使這種電池可被應用於攝象機、手提電腦等大功率用電器上。

6、優良的安全性

由於使用優良的負極材料,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。同時採用特殊的可恢復配件,保證了電池在使用過程中的安全性。

6 鋰電池 -應用

隨著二十世紀微電子技術的發展,小型化的設備日益增多,對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進入了大規模的實用階段。

最早得以應用於心臟起搏器中。由於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。

鋰電池一般有高於3.0伏的標稱電壓,更適合作集成電路電源。二氧化錳電池,就廣泛用於計算機,計算器,照相機、手錶中。

應用舉例

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,經維修發現,此電池組損壞時僅是個別電池有問題。可以選用合適的單節鋰電池進行更換。

2、製作高亮微型電筒筆者曾用單節3.6V1.6AH鋰電池配合一個白色超高亮度發光管做成一隻微型電筒,使用方便,小巧美觀。而且由於電池容量大,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
由於單節鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節鋰電池便可代替兩節普通電池,給收音機、隨身聽、照相機等小家電產品供電,不僅重量輕,而且連續使用時間長。

鋰離子電池負極材料-鈦酸鋰

可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池.此外,它還可以用作正極,與金屬鋰或鋰合金負極組成1.5V的鋰二次電池。

由於鈦酸鋰的高安全性、高穩定性、長壽命和綠色環保的特點。可以預見:鈦酸鋰材料在2-3年後,一定會成為新一代鋰離子電池的負極材料而被廣泛應用在新能源汽車、電動摩托車和要求高安全性、高穩定性和長周期的應用領域。鈦酸鋰電池工作電壓2.4V,最高電壓3.0V,充電電流大達2C。


鈦酸鋰電池組成

正極:磷酸鐵鋰、錳酸鋰或三元材料、鎳錳酸鋰。
負極:鈦酸鋰材料。
隔膜:現在以碳作負極的鋰電池隔膜。
電解液:以碳作負極的鋰電池電解液。
電池殼:以碳作負極的鋰電池殼。

鈦酸鋰電池的優點:採用電動車輛取代燃油車輛是解決城市環境污染的最佳選擇,其中鋰離子動力電池引起了研究者的廣泛關注.為了滿足電動車輛對車載鋰離子動力電池的要求,研製安全性高、倍率性能好且長壽命的負極材料是其熱點和難點。

商業化的鋰離子電池負極主要採用碳材料,但以碳做負極的鋰電池在應用上仍存在一些弊端:

1、過充電時易析出鋰枝晶,造成電池短路,影響鋰電池的安全性能;

2、易形成SEI膜而導致首次充放電效率較低,不可逆容量較大;

3、即碳材料的平台電壓較低(接近於金屬鋰),並且容易引起電解液的分解,從而帶來安全隱患。

4、在鋰離子嵌入、脫出過程中體積變化較大,循環穩定性差。

與碳材料相比,尖晶石型的Li4Ti5012具有明顯的優勢:

1、它為零應變材料,循環性能好;

2、放電電壓平穩,而且電解液不致發生分解,提高鋰電池安全性能;

3、與炭負極材料相比,鈦酸鋰具有高的鋰離子擴散係數(為2*10-8cm2/s),可高倍率充放電等。

4、鈦酸鋰的電勢比純金屬鋰的高,不易產生鋰晶枝,為保障鋰電池的安全提供了基礎。

保護電路

由兩個場效應管和專用保護集成塊S--8232組成,過充電控制管FET2和過放電控制管FET1串聯於電路,由保護IC監視電池電壓並進行控制,當電池電壓上升至4.2V時,過充電保護管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。當電池處於放電狀態下,電池電壓降至2.55V時,過放電控制管FET1截止,停止向負載供電。過電流保護是在當負載上有較大電流流過時,控制FET1使其截止,停止向負載放電,目的是為了保護電池和場效應管。過電流檢測是利用場效應管的導通電阻作為檢測電阻,監視它的電壓降,當電壓降超過設定值時就停止放電。在電路中一般還加有延時電路,以區分浪涌電流和短路電流。該電路功能完善,性能可靠,但專業性強,且專用集成塊不易購買,業餘愛好者不易仿製。

充電電路

現在有不少商家出售不帶充電板的單節鋰電池。其性能優越,價格低廉,可用於自製產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製作一塊充電板。其原理是:採用恆定電壓給電池充電,確保不會過充。輸入直流電壓高於所充電池電壓3伏即可。R1、Q1、W1、TL431組成精密可調穩壓電路,Q2、W2、R2構成可調恆流電路,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,請在指示燈熄滅後繼續充1—2小時。使用時請給Q2、Q3裝上合適的散熱器。本電路的優點是:製作簡單,元器件易購,充電安全,顯示直觀,並且不會損壞電池.通過改變W1可以對多節串聯鋰電池充電,改變W2可以對充電電流進行大範圍調節。缺點是:無過放電控制電路。

7 鋰電池 -總結

由於聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質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。也不會產生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題,因此可以用鋁塑複合薄膜製造電池外殼,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採用高分子作正極材料,其質量比能量將會比目前的液態鋰離子電池提高50%以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環壽命等方面都比液態鋰離子電池有所提高。基於以上優點,聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。

鋰離子電池內部成螺旋型結構,正極與負極之間由一層具有許多細微小孔的薄膜紙隔開。鋰離子電池的正極採用鈷酸鋰,正極集流體是鋁箔;負極採用碳,負極集流體是銅箔,鋰離子電池的電解液是溶解了LiPF6的有機體。鋰離子電池蓋帽上有防爆孔,在內部壓力過大的情況下,防爆孔會自動打開泄壓,以防止出現爆炸的現象。

電動自行車用的鋰電池

許多用戶上下班走同一條路,電池組只有一側日照,如果行駛速度太慢可能受熱不均。日照條件下如果電池組受熱不均,就可能有的電池溫度高 有的溫度低。溫度高的電池容量大,低的容量小。長期這樣使用 電池組會失衡,嚴重影響動力電池組的效率與安全。另外,電池組在充放電過程中的過充電、過放電、電流過大、溫度過高等現象會加劇電池間特性的差異,從而引起單節鋰電池之間容量、電壓等性能的不平衡,最終導致電池組整體特性的急劇衰退和部分電池的加速損壞。
它冬天也怕曬!電池散熱需要行駛時的氣流來幫忙,速度越快氣流越強。電動自行車用的電池組一般只有串聯沒有並聯,這就只能用定期單獨充放電來平衡。

比較

 鉛酸蓄電池也有平衡問題,但由於其壽命較短,所以問題不突出。

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