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鋰電池工作原理簡介
★★★★★【文章導讀】:鋰電池工作原理簡介具體內容是:一次電池指不可以充電的電池,二次電池指可以反復充、放電的電池,本文主要介紹二次電池,一般情況下省去了“二次”兩字。鋰電池主要由正極、負極、龜解液、隔膜和外殼五大部分組成。行業術語叫“電心…
來源: 日期:2013-11-5 23:27:54 人氣:標簽:
一次電池指不可以充電的電池,二次電池指可以反復充、放電的電池,本文主要介紹二次電池,一般情況下省去了“二次”兩字。
鋰電池主要由正極、負極、龜解液、隔膜和外殼五大部分組成。行業術語叫“電心”,類似鉛酸電池的單格。
聚合物鋰離子電池原理如下。
充電過程,鋰離子從正極板內脫嵌出來.進入電解液穿過隔膜, 后鑲嵌進負極板內;放電過程.鋰離子從負極板內脫嵌出來,進入電解液穿過隔膜, 后鑲嵌進正極板內。業內形象的稱之為“搖椅”電池,充電鋰離子搖到了負極.放電又搖回了正極。這張圖片來源于網絡,陽極主成份是鉆酸鋰,陰極主成份是碳,電解質為聚合物。
1.正極板的主要成分不同.形成了前面提到的鉆酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元鋰四大類,例如鉆酸鋰電心的正極是LICoO2加導電劑和粘合劑,涂在鋁箔上形成正極板。鋁箔是集流體,等同于鉛酸電池的陽極板柵和匯流排.鋁箔與鋁箔間用超聲波焊接。
由陽極主材料分類,鋰電池有四種:鉆酸鋰、磷酸鐵鋰(有時簡稱鐵鋰)、錳酸鋰和三元鋰四種。目前,關于陽極主材料的研究仍在繼續,品種還在增加。
2.負極板,鋰離子電池一般用碳材料(主要是石墨)作負極,是層狀石墨加導電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上:這里,銅箔是集流體,等同于鉛酸電池的陰極板柵和匯流排,銅箔與銅箔間用點焊機焊接。
3.電解液是含鋰離子的.成分比較復雜,多用代號表示,第一代電解液:
PC+DME+IMLiPF6,與石墨負極匹配性差,易發生溶劑共嵌入。第二代電解液:
EC+DMC(orDEC)+lMLlPF6,低溫性能差。第三代電解液:EC+DMC(DEC)+EMC+lMLiPF6.電導率可達10-2S.cm-1.>50%。目前工作大多集中在選擇添加劑方面,以提高電池首次充放電效率,提高SEI(該代號后文化成中有解釋)穩定性。
(1)溶劑部分非質子性有機溶劑。為獲得盡可能高的電導,常采用二元或多元組分溶劑。
a、碳酸丙烯酯代號PC(Propy-leneCarbonate)
b、碳酸乙烯酯代號EC(EthyleneCarbonate)
c、碳酸二甲酯代號DEC(Dimethyl-Carbonate)
d、PropiolicAcid甲酯
e、1,4-丁丙酯代號CBL(γ-Butyro-lactone)
(2)溶質部分
a、LiPF6(主要)
b、LiBF4
c、LiCI04
d、LiAsF6
e、LiCF3SO3等
這些電解液很多有毒.并且是易燃易爆物。不同電心的電解液配方也不同。
(3)電解液近年來,對液態電解質進行的改體研究取得了很大的進步.大大降低了鋰電的危險性.主要有聚合物和膠體兩大類.不僅僅改變了電解質的流動性,溫度性能、安全性能、循環性能等都得到了改善。
重申一下!聚合物鋰離子電池的定義是,正極、負極與電解質這三種主要構造中至少有一項或一項以上使用高分子材料作為其主要的電池系統。本文為了突出安全性能改進,只提到了電解質一項。
如果用電解液狀態分類.鋰電有兩類:聚合物電池和液態電解質電池。
和鉛酸電池類似.鋰電也有化成工序。在液態鋰離子電池首次充放電過程中,電極材料與電解液在固、液相界面上發生反應.形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層.具有固體電解質的特征,是電子絕緣體.但又是鋰離子Li+的優良導體.Li+可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質界面膜”(solideleCTRolyteinterface),簡稱SEI膜。
正極確實也有層膜形成.只是現階段認為其對電池的影響要遠遠小于負極表面的SEI膜,因此本文著重討論負極表面的SEI膜(以下所出現SEI膜未加說明則均指在負極形成的)。負極材料石墨與電解液界面上通過界面反應能生成SEI膜.多種分析方法也證明SEl膜確實存在.厚度約為100~120nm.其組成主要有各種無機成分如Li2C03、LiF、Li2O、LiOH等和各種有機成分,如ROC02Li、ROLi、(ROC02Li)2等。
SEI膜的形成對電極材料的性能產生至關重要的影響。一方面,SEI膜的形成消耗了部分鋰離子,使得首次充放電不可逆容量增加,降低了電極材料的充放電效率:另一方面,SEl膜具有有機溶劑不溶性,在有機電解質溶液中能穩定存在,并且溶劑分子不能通過該層鈍化膜,從而能有效防止溶劑分子的共嵌入,避免了因溶劑分子共嵌入對電極材料造成的破壞.因而大大提高了電極的循環性能和使用壽命。
因此.深入研究SEI膜的形成機理、組成結構、穩定性及其影響因素,并進一步尋找改善SEI膜性能的有效途徑,一直都是世界電化學界研究的熱點。
烷基碳酸鋰和Li2C03均為3.5V前形成SEI膜的主要成分。
當電池電解液采用ImoI/LLiPF6-EC~DMC~EMC(三者體積比1:1:1)化成電壓小于2.5V下,產生的氣體主要為H2和CO2:等;化成電壓為2.5V時,電解液中的EC開始分解,電壓3.0~3.5V的范圍內廟于EC的還原分解,產生的氣體主要為C2H4而當電壓大于3.OV時,由于電解液中DMC和EMC的分解,除了產生C2H4氣外,CH4、CZH6等烷烴類氣體也開始出現:電壓高于3.8V后,DMC和EMC的還原分解成為主反應。此外,當化成電壓為3.0~3.5V之間,化成過程中產生的氣體量 大;電壓大于3.5V后,由于電池負極表面的SEI層已基本形成,因此,電解液溶劑的還原分解反應受抑制,產生的氣體的數量也隨之汛速下降。
簡而言之,鋰電池化成時,充電電流開始是0.2C(C為充電倍率)涓流,電壓達到一定值轉為1C恒流,繼續充到另一個電壓值轉為限壓充電。這兩個定值不是任意的,由上述內容確定。有些廠家把涓流階段稱之為“預化成”階段,接著進行抽氣后,再用1C電流化成。
讓讀者了解這些內容的目的.是糾正鋰電使用的誤區。化成,鋰電業內還有個稱謂,稱之為“激活”,到用戶手里的電池都是激活過的電池。
注:電心化成工序中,在IC恒流轉恒壓(限壓)后,充電電流低到0.02C停止化成,業內稱這個0.02C電流為“截止電流”。不同廠家的“截止電流”設定值不同,有O.OIC、0.02C、0.05c、O.IC等,多數采用0.02C。
(4)隔膜隔膜多孔、介于陰、陽極板之間,可以讓電解液、鋰離子通過。它的作用之一和鉛酸電池的隔膜作用相同,即防止陰、陽極極板間短路。鋰電池的隔膜另一重大作用是防止電池溫升過高.導致燃燒和爆炸。當溫度升高到一定溫度(125℃)時,隔膜的孔陸續關閉,鋰離子的通路被切斷,促使電化學反應降低甚至中止,溫升停止。
鋰離子電池隔膜一般采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)單層微孔膜、以及由PP和PE復合的多層微孔膜用為隔膜。
從外觀上看.它與普通的白色塑料膜沒什么明顯區別,但在鋰電池的結構中,隔膜的性能直接影響著電池的容量、循環性能以及安全性能等特性。
(5)外殼,有鐵外殼、鋁外殼和鋁塑軟包裝三種。
如果由包裝分類,鋰電有三類多種,其中硬殼的有圓柱和方形兩種。
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