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锂离子电池

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锂离子电池是一种类型的可再充电电池。锂离子电池通常用于便携式电子产品和电动汽车,并且在军事和航空航天应用中越来越受欢迎。吉野明在1985年根据JohnGoodenough、M.StanleyWhittingham、RachidYazami和KoichiMizushima在1970年代至1980年代的早期研究开发了原型锂离子电池,1991年,由西YoshioNishi领导的Sony和AsahiKasei团队开发了商用锂离子电池。

在电池中,锂离子从负极移动电极通过电解质放电期间正电极,和背充电时。锂离子电池使用嵌入的锂化合物作为正极材料,负极材料通常为石墨。该电池具有高能量密度、无记忆效应(LFP电池除外)和低自放电.然而,它们可能存在安全隐患,因为它们含有易燃电解质,如果损坏或充电不当可能导致爆炸和火灾。三星在锂离子火灾后被迫召回GalaxyNote7手机,并且发生了几起涉及波音787电池的事故。

不同类型的锂离子电池的化学、性能、成本和安全特性各不相同。手持电子产品大多使用锂聚合物电池(以聚合物凝胶为电解质)、钴酸锂(LiCoO2)阴极材料和石墨阳极,它们共同提供了高能量密度。磷酸铁锂(LiFePO4)、锰酸锂(LiMn2哦4尖晶石或锂2氧化锰3基富锂层状材料(LMR-NMC))和锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2或NMC)可能提供更长的寿命并且可能具有更好的倍率能力。此类电池广泛用于电动工具医疗设备和其他角色。NMC及其衍生物广泛应用于电动汽车。

锂离子电池的研究领域包括延长寿命、提高能量密度、提高安全性、降低成本和提高充电速度等。基于在典型电解质中使用的有机溶剂的易燃性和挥发性,作为提高安全性的途径,不可燃电解质领域的研究正在进行中。策略包括水性锂离子电池、陶瓷固体电解质、聚合物电解质、离子液体和重氟化系统

锂离子电池的结构

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锂离子电池的三个主要功能部件是正负极和电解液。通常,传统锂离子电池的负极由碳制成。正极通常是金属氧化物。所述电解质是锂盐在有机溶剂中。电极的电化学作用在阳极和阴极之间反转,这取决于电流流过电池的方向。

最常见的商业使用的阳极(负极)是石墨,在其完全锂化的LiC6状态下,xxx容量为372mAh/g。正极一般是三种材料中的一种:层状氧化物(如钴酸锂)、聚阴离子(如磷酸铁锂)或尖晶石(如锂锰氧化物)。最近,含有石墨烯的电极(基于石墨烯的2D和3D结构)也被用作锂电池电极的组件。

电解质通常是有机碳酸酯的混合物,例如含有锂离子络合物的碳酸亚乙酯或碳酸二乙酯。这些非水性电解质通常使用非配位阴离子盐,例如六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷酸锂一水合物(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4),和三氟甲磺酸锂(LiCF3所以3)。

锂离子电池

根据材料的选择,锂离子电池的电压、能量密度、寿命和安全性会发生巨大变化。目前的努力一直在探索使用纳米技术的新型架构的使用,以提高性能。感兴趣的领域包括纳米级电极材料和替代电极结构。

纯锂的反应性很强。它与水剧烈反应生成氧化锂(LiOH)和氢气。因此,通常使用非水电解质,并且密封容器严格地将水分排除在电池组之外。

锂离子电池比镍镉电池更昂贵,但在更宽的温度范围内工作,具有更高的能量密度。它们需要一个保护电路来限制峰值电压。

笔记本电脑的电池组,对于每个锂离子电池,将包含

  • 温度传感器
  • 一个电压调节器电路
  • 电压抽头
  • 电荷状态监视器
  • 电源连接器

这些组件

  • 监控电荷状态和电流
  • 记录最新的、充满电的容量
  • 监测温度

他们的设计将短路的风险降到最低。

锂离子电池的形状

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锂离子电池(不同于整个电池)有各种形状,通常可以分为四组:

  • 小圆柱体(没有端子的实心体,如旧笔记本电池中使用的那些)
  • 大圆柱体(带有大螺纹端子的实心体)
  • 扁平或袋状(柔软、扁平的机身,例如用于手机和新型笔记本电脑的电池;这些是锂离子聚合物电池。
  • 带有大螺纹端子的刚性塑料外壳(如电动汽车牵引包)

圆柱形电池以特有的“瑞士卷”方式(在美国称为“果冻卷”)制成,这意味着它是正极、隔板、负极和隔板的单个长“三明治”卷成一个线轴。圆柱形单元格中的果冻卷的形状可以近似为阿基米德螺线。与堆叠电极的电池相比,圆柱形电池的优势之一是生产速度更快。圆柱形电池的一个缺点可能是电池内部在高放电电流下产生较大的径向温度梯度。

没有外壳使软包电池具有最高的重量能量密度;然而,对于许多实际应用,当它们的荷电状态(SOC)水平较高时,它们仍然需要外部遏制手段以防止膨胀,以及它们所属的电池组的总体结构稳定性。由于它们的矩形形状,刚性塑料和袋式电池有时被称为棱柱形电池。Munro&Associates的电池技术分析师MarkEllis认为,现代(~2020年)电动汽车电池大规模使用三种基本的锂离子电池类型:圆柱形电池(例如,特斯拉)、棱柱形电池(例如,来自LG),以及棱柱形罐式电池(例如,来自LG、三星、松下等)。对于电动汽车的使用,每种外形尺寸都有其独特的优势和劣势。

自2011年以来,几个研究小组已经宣布了锂离子液流电池的示范,该电池将正极或负极材料悬浮在水溶液或有机溶液中。

2014年,松下制造了最小的锂离子电池。它是针状的。它的直径为3.5mm,重量为0.6g。甲硬币电池的外形类似的是普通锂电池是可用,因为早在2006年对的LiCoO2的细胞,一般用“LIR”前缀表示。

充放电

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在放电过程中,锂离子(Li+)将电池内的电流从负极传送到正极,通过非水电解质和隔膜。

在充电过程中,外部电源(充电电路)施加过电压(高于电池产生的电压,具有相同的极性),迫使充电电流在电池内从正极流向负极,即在正常条件下与放电电流方向相反。然后锂离子从正极迁移到负极,在那里它们在称为嵌入的过程中嵌入多孔电极材料中。

在典型操作条件下,由电极层之间界面处和与集电器接触处的接触电阻引起的能量损失可高达电池总能量流的20%。

锂离子电池控制程序

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单个锂离子电池和完整锂离子电池的充电程序略有不同。

  • 单个锂离子电池分两个阶段充电:
  1. 恒流(CC)。
  2. 恒压(CV)。
  • 锂离子电池(一组串联的锂离子电池)分三个阶段充电:
  1. 恒流。
  2. 平衡电池平衡后不需要)。
  3. 恒压。

在恒流阶段,充电器以稳定增加的电压向电池施加恒流,直到达到每个电池的电压限制。

在平衡阶段,充电器降低充电电流(或循环充电和关闭以降低平均电流),同时通过平衡电路使单个电池的充电状态达到相同水平,直到电池平衡。一些快速充电器跳过这个阶段。一些充电器通过对每个电池独立充电来实现平衡。

在恒压阶段,充电器向电池施加等于xxx电池电压乘以串联电池数的电压,随着电流逐渐向0下降,直到电流低于设定阈值(约3%的初始值)恒定充电电流。

大约每500小时定期加满一次。当电压低于4.05V/cell时,建议启动顶部充电。

不遵守电流和电压限制可能会导致爆炸。

极端温度

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锂离子电池的充电温度限制比操作限制更严格。锂离子化学在高温下表现良好,但长时间暴露在高温下会缩短电池寿命。

锂离子电池在较冷的温度下提供良好的充电性能,甚至可以在5至45°C(41至113°F)的温度范围内进行“快速充电”。充电应在此温度范围内进行。在0至5°C的温度下充电是可能的,但充电电流应降低。在低温充电期间,由于电池内部电阻而使温度略高于环境温度是有益的。充电时温度过高可能会导致电池退化,45°C以上的温度充电会降低电池性能,而在较低温度下,电池内阻可能会增加,导致充电速度变慢,从而导致充电时间延长。

消费级锂离子电池不应在低于0°C(32°F)的温度下充电。尽管电池组可能看起来正在正常充电,但在低温充电期间,负极可能会发生金属锂电镀,即使重复循环也可能无法移除。出于安全原因,大多数配备锂离子电池的设备不允许在0–45°C以外的温度下充电,但移动电话除外,它们在检测到正在进行的紧急呼叫时可能允许进行一定程度的充电。

锂离子电池的性能

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  • 比能量密度:100~250W·h/kg(360~900kJ/kg)
  • 体积能量密度:250至680W·h/L(900至2230J/cm³)
  • 比功率密度:300至1500W/kg(20秒和285W·h/L)

由于锂离子电池可以有多种正负极材料,因此能量密度和电压也随之变化。

的开路电压比更高的水溶液系电池(如铅酸,镍金属氢化物和镍镉)。内阻随着循环和老化而增加。内阻上升会导致端子电压在负载下下降,从而降低xxx电流消耗。最终,增加电阻会使电池处于一种状态,使其无法再支持它所要求的正常放电电流,而不会出现不可接受的电压降或过热。

带有磷酸铁锂正极和石墨负极的电池标称开路电压为3.2V,典型充电电压为3.6V。带有石墨负极的锂镍锰钴(NMC)氧化物正极具有3.7V标称电压和充电时xxx4.2V。充电过程是在恒压下通过限流电路进行的(即,恒流充电直到电池中的电压达到4.2V,然后继续施加恒压直到电流降至接近零)。通常,充电在初始充电电流的3%时终止。过去,锂离子电池无法快速充电,至少需要两个小时才能充满电。当前一代的电池可以在45分钟或更短的时间内充满电。2015年,研究人员展示了一个600毫安时的小型电池在两分钟内充电到68%的容量,以及一个3,000毫安时的电池在五分钟内充电到48%的容量。后一种电池的能量密度为620W·h/L。该装置采用与阳极中的石墨分子键合的杂原子

随着时间的推移,制造的电池的性能得到了提高。例如,从1991年到2005年,锂离子电池的单位价格能量容量提高了十倍以上,从每美元0.3W·h提高到每美元3W·h以上。2011年至2017年期间,平均每年进步7.5%。具有相似化学性质的不同大小的电池也具有相同的能量密度。该21700电池具有比50%以上的能量18650细胞,并在更大的尺寸减少的热传递到其周围环境。


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词条目录
  1. 锂离子电池
  2. 锂离子电池的结构
  3. 锂离子电池的形状
  4. 充放电
  5. 锂离子电池控制程序
  6. 极端温度
  7. 锂离子电池的性能

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