一文匯總鋰電池的基礎(chǔ)知識點(diǎn)

名詞簡介

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(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：充電池時，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。

鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆：

（1）鋰電池：存在鋰單質(zhì)。

（2）鋰離子聚合物電池：用多聚物取代液態(tài)有機(jī)溶劑。

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，現(xiàn)在又出現(xiàn)了鎳鈷錳酸鋰材料，電動自行車則用磷酸鐵鋰，導(dǎo)電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

（2）隔膜——一種特殊的復(fù)合膜，可以讓離子通過，但卻是電子的絕緣體。

（3）負(fù)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微米的電解銅箔。

（4）有機(jī)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（現(xiàn)在方型很少使用）、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(fù)極引出端。

作用機(jī)理

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

工作狀態(tài)和效率

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-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)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。

充電

充電是電池重復(fù)使用的重要步驟，鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到設(shè)定的值，而最終完成充電。電量統(tǒng)計芯片通過記錄放電曲線可以抽樣計算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后，放電曲線會發(fā)生改變，鋰離子電池雖然不存在記憶效應(yīng)，但是充、放電不當(dāng)會嚴(yán)重影響電池性能。

充電注意事項(xiàng)

鋰離子電池過度充放電會對正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

充電量等于充電電流乘以充電時間，在充電控制電壓一定的情況下，充電電流越大（充電速度越快），充電電量越小。電池充電速度過快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng)，同樣會造成電池容量不足，實(shí)際是電池的部分電極活性物質(zhì)沒有得到充分反應(yīng)就停止充電，這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

放電

第一次充放電，如果時間能較長（一般3至4小時足夠），那么可以使電極盡可能多的達(dá)到最高氧化態(tài)（充足電），放電（或使用）時則強(qiáng)制放到規(guī)定的電壓、或直至自動關(guān)機(jī)，如此能激活電池使用容量。

但在鋰離子電池的平常使用中，不需要如此操作，可以隨時根據(jù)需要充電，充電時既不必要一定充滿電為止，也不需要先放電。像首次充放電那樣的操作，只需要每隔3至4個月進(jìn)行連續(xù)的1至2次即可。

化學(xué)解析

概述：和所有化學(xué)電池一樣，鋰離子電池也由三個部分組成：正極、負(fù)極和電解質(zhì)。電極材料都是鋰離子可以嵌入（插入）/脫嵌（脫插）的。

正極：正極材料，如上文所述，可選的正極材料很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照：

正極反應(yīng)：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。充電時：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+xe放電時：Li1-xFePO4+xLi+xe→LiFePO4

負(fù)極：負(fù)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(fù)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

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(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機(jī)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（solidelectrolyteinterphase，SEI）導(dǎo)致電極鈍化。有機(jī)溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。

主要優(yōu)點(diǎn)

（1）電壓高：單體電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍。

（2）比能量大：目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量（3至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(dá)到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達(dá)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(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?。菏覝叵鲁錆M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）可快速充放電：1C充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的50%以上，放電可以提供支持大電流3C/5C高倍率放電。

（7）工作溫度范圍高，工作溫度為-25~45°C，隨著電解液和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-40~70°C。
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