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鋰電池工作原理簡介
★★★★★【文章導(dǎo)讀】:鋰電池工作原理簡介具體內(nèi)容是:一次電池指不可以充電的電池,二次電池指可以反復(fù)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(yè)術(shù)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(fù)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(yè)術(shù)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(nèi)脫嵌出來.進入電解液穿過隔膜, 后鑲嵌進負極板內(nèi);放電過程.鋰離子從負極板內(nèi)脫嵌出來,進入電解液穿過隔膜, 后鑲嵌進正極板內(nèi)。業(yè)內(nèi)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(wǎng)絡(luò),陽極主成份是鉆酸鋰,陰極主成份是碳,電解質(zhì)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(dǎo)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(guān)于陽極主材料的研究仍在繼續(xù),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(dǎo)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(fù)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(fā)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(dǎo)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(wěn)定性。
(1)溶劑部分非質(zhì)子性有機溶劑。為獲得盡可能高的電導(dǎo),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(zhì)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(tài)電解質(zhì)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(zhì)的流動性,溫度性能、安全性能、循環(huán)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(zhì)這三種主要構(gòu)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(tǒng)。本文為了突出安全性能改進,只提到了電解質(zhì)一項。
如果用電解液狀態(tài)分類.鋰電有兩類:聚合物電池和液態(tài)電解質(zhì)電池。
和鉛酸電池類似.鋰電也有化成工序。在液態(tài)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(fā)生反應(yīng).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(zhì)的特征,是電子絕緣體.但又是鋰離子Li+的優(yōu)良導(dǎo)體.Li+可以經(jīng)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(zhì)界面膜”(solideleCTRolyteinterface),簡稱SEI膜。
正極確實也有層膜形成.只是現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(chǎn)生至關(guān)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(zhì)溶液中能穩(wěn)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(huán)性能和使用壽命。
因此.深入研究SEI膜的形成機理、組成結(jié)構(gòu)、穩(wěn)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(xué)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(chǎn)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(nèi)廟于EC的還原分解,產(chǎn)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(chǎn)生C2H4氣外,CH4、CZH6等烷烴類氣體也開始出現(xiàn):電壓高于3.8V后,DMC和EMC的還原分解成為主反應(yīng)。此外,當化成電壓為3.0~3.5V之間,化成過程中產(chǎn)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(yīng)受抑制,產(chǎn)生的氣體的數(shù)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(zhuǎn)為1C恒流,繼續(xù)充到另一個電壓值轉(zhuǎn)為限壓充電。這兩個定值不是任意的,由上述內(nèi)容確定。有些廠家把涓流階段稱之為“預(yù)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(nèi)容的目的.是糾正鋰電使用的誤區(qū)。化成,鋰電業(yè)內(nèi)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(zhuǎn)恒壓(限壓)后,充電電流低到0.02C停止化成,業(yè)內(nèi)稱這個0.02C電流為“截止電流”。不同廠家的“截止電流”設(shè)定值不同,有O.OIC、0.02C、0.05c、O.IC等,多數(shù)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(dǎo)致燃燒和爆炸。當溫度升高到一定溫度(125℃)時,隔膜的孔陸續(xù)關(guān)閉,鋰離子的通路被切斷,促使電化學(xué)反應(yīng)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(fù)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(qū)別,但在鋰電池的結(jié)構(gòu)中,隔膜的性能直接影響著電池的容量、循環(huán)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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