谁能简单的描述锂离子电池结构和工作原理?
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发布时间:2022-04-26 19:11
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热心网友
时间:2022-05-03 09:07
简单的说靠锂离子的定向移动:电解质是有机电解质(锂太活泼不能用水)、隔膜、正电极是锰(或钴、镍)酸锂盐或磷酸铁这些变价过渡金属酸根、负极是与锂离子结合的活性碳或其它金属。充电时锂离子从正极透过隔膜与活性碳插入相当于被还原;放电时锂离子脱离活性碳从负极透过隔膜与正极的阴离子嵌入放电。
热心网友
时间:2022-05-03 10:25
一、发展及分类
“锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低,放电电压平缓等优点,使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂电池一般有高于3.0伏的标称电压,更适合作集成电路电源。二氧化锰电池,就广泛用于计算器,数码相机、手表中。
为了开发出性能更优异的品种,人们对各种材料进行了研究,从而制造出前所未有的产品。
1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。
20世纪70年代时,M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。
1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化,使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小。
由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着科学技术的发展,锂电池已经成为了主流。
锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。
锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求*,只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。
二、工作原理
1. 锂金属电池
一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
放电反应:Li+MnO2=LiMnO2
2.锂离子电池:
锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。
充电正极上发生的反应为
LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(电子)
充电负极上发生的反应为
6C+xLi++xe- = LixC6
充电电池总反应:LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
三、特征
高能量密度锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半,体积是镍镉的20-30%,镍氢的35-50%。
高电压一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值),相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。
无污染锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。
不含金属锂锂离子电池不含金属锂,因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的*。
循环寿命高在正常条件下,锂离子电池的充放电周期可超过500次,磷酸亚铁锂则可以达到2000次。
无记忆效应记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中,电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。
快速充电使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器,可以使锂离子电池在1.5-2.5个小时内就充满电;而新开发的磷铁锂电池,已经可以在35分钟内充满电。
三、优缺点分析
1.优点
(1)能量比较高。具有高储存能量密度,已达到460-600Wh/kg,是铅酸电池的约6-7倍;
(2)使用寿命长,使用寿命可达到6年以上,磷酸亚铁锂为正极的电池1C(100%DOD)充放电,有可以使用10,000次的记录;
(3)额定电压高(单体工作电压为3.7V或3.2V),约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压,便于组成电池电源组;锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术,将电压调至3.0V,以适合小电器的使用。
(4)具备高功率承受力,其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力,便于高强度的启动加速;
(5)自放电率很低,这是该电池最突出的优越性之一,一般可做到1%/月以下,不到镍氢电池的1/20;
(6)重量轻,相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5;
(7)高低温适应性强,可以在-20℃--60℃的环境下使用,经过工艺上的处理,可以在-45℃环境下使用;
(8)绿色环保,不论生产、使用和报废,都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
(9)生产基本不消耗水,对缺水的我国来说,十分有利。
比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位,W是瓦、h是小时;kg是千克(重量单位),L是升(体积单位)。
2.缺点
1.锂原电池均存在安全性差,有发生爆炸的危险。
2.钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电,价格昂贵,安全性较差。
3.锂离子电池均需保护线路,防止电池被过充过放电。
4.生产要求条件高,成本高。
5.使用条件有*,高低温使用危险大。