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锂离子电池的工作原理

来源:锂离子电池厂家?编辑:admin??发布时间:2020-04-17 18:04:37??阅读数:

锂离子电池由最早由日本SONY企业于1990年开发成功并商用,是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池,是现代高性能电池的代表。

锂离子电池

锂离子电池是把锂离子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成负极(传统锂电池用锂或锂合金作负极)。锂离子电池的工作原理正极材料常用LixCoO2,也用LixNiO2,和LixMnO4,电解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC)。

石油焦炭和石墨作负极材料无毒,且资源充足,锂离子嵌入碳中,克服了锂的高活性,解决了传统锂电池存在的安全问题,正极LixCoO2在充、放电性能和寿命上均能达到较高水平,使成本降低,总之锂离子电池的综合性能提高了。锂离子电池占有很大的市场。

锂离子电池系统可以说是一个浓度电池,因为锂离子会由一极经由电解液跑到另一极,因此要设计一个成功的锂离子电池并使之与锂金属电池的效益相当必须符合以下几项原则:

1.在阳极的锂活性须接近1,以确定此电池的开路电位与原锂金属电池接近

2.两极的等效重量须低,如此才有应用的价值

3.锂离子在两极的扩散系数须高,以使电池在充放电时能够实时快速反应

4.两极须容易制作且无毒性,确保价格低与环境保护。

锂离子电池的工作原理

锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。

当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即大家使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

锂离子电池工作原理

下图是英文图注的锂离子电池工作原理图,如果你英文不好,却能够看懂,说明你对锂离子电池的工作原理基本掌握了。

锂离子电池工作原理

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间,电流越大,充电越快,同时电池发热也越大。而且,过大的电流充电,容量不够满,因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样,倒太快的话会产生泡沫,反而不满。

以磷酸亚铁锂为例,其放电和充电时的电极反应分别为:

正极反应:

充电时锂离子脱嵌:LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++ xe-

放电时锂离子嵌入:Li1-xFePO4+xLi++ xe-→LiFePO4

负极反应:

充电时锂离子插入:xLi++ x e-+ 6C →LixC6

放电时锂离子脱插:LixC6→ xLi++ x e-+ 6C

以钴酸锂作为正极材料的锂离子电池,其充电和放电的电极反应为:

充电时的反应式:LiCoO2+C→Li1-xCoO2+LixC

放电时的反应式为:Li1-xCoO2+LixC→LiCoO2+C

事实上,正极材料中的CoO2-和FePO4-在电池中作为类似“骨架”而使得Li+得以在其中自由的移动,负极材料的石墨碳能够亲和Li+而使得Li的活性变得温和而持续。

对电池来说,正常使用就是放电的过程。

锂离子电池放电需要注意几点:

第一,放电电流不能过大,过大的电流导致电池内部发热,有可能会造成永久性的损害。在手机上,这个倒是没有问题的,可以不考虑。

第二,绝对不能过放电!锂离子电池最怕过放电,一旦放电电压低于2.7V,将可能导致电池报废。好在锂离子电池内部装了保护电路,电压还没低到损坏电池的程度,保护电路就会起作用,停止放电。电池放电电流越大,放电容量越小,电压下降更快。

锂离子电池结构

锂离子电池结构

正极:活性物质,导电剂、溶剂、粘合剂、基体。

锂离子电池正极

电池放电时从外电路获得电子的电极,此时电极发生还原反应。通常是电位高的电极。锂离子电池中的钴酸锂、锰酸锂电极等。

 

负极:活性物质(石墨、MCMB、CMS),粘合剂、溶剂、基体。

锂离子电池负极

电池放电时向外电路输送电子的电极,此时电极发生氧化反应。通常是电位低的电极,锂离子电池中石墨电极。

隔膜

隔膜是放置于两极之间,作为隔离电极的装置,藉以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路。但隔膜仍需能让带电离子通过,以形成通路。

锂离子电池隔膜

隔膜要求:

1.离子透过度大

2.机械性强度适当

3.本身为绝缘体

4.不与电解液及电极发生反应

材质:单层PE(聚乙烯)或者三层复合PP(聚丙烯) +PE+PP

厚度:单层一般为0.016~0.020mm,三层一般为0.020~0.025mm

电解液

外壳五金件(钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片、绝缘胶带)

锂离子电池的制造工艺流程锂离子电池生产用的主要设备
 

锂离子电池制造工艺流程

真空搅拌机

真空搅拌机

用途:将各种电池材料均匀的搅拌成浆状。

电极涂布机

电极涂布机

用途:搅拌后的浆料均匀涂膜在金属箔片  上。对浆料的涂布厚度精确到3微米以下。

辊压机

辊压机

用途:涂布后的极片进一步压实,提高电池的能量密度。

极片分切设备

极片分切

超声焊接导电柄设备

超声焊接导电柄设备

卷绕机

卷绕机

用途:将制造好的极片卷绕成电池

手套箱

手套箱

用途:保证在低湿度环境下将电解液与卷芯封装在一起

注液机

注液机

用途:保证高精度的流水化将电解液真空注入电池包装材料内

化成测试设备

化成柜

用途:将做好的电池充电活化,产生电压,同时测试电池的容量。

锂离子电池产品使用注意事项:

①防摔:摔落可以改变电池的内部机械或化学结构,这些变化可能导致任何故障安全电路在极端压力条件下发生故障。

②过热:虽然电池中存在保护措施以确保其散热,或者在过热时关闭,但首先要保持电池远离温度限制。防止过热的方法是,避免长时间高功率使用,不要暴晒电池或将电池置于温度较高环境中。

③充电器:一定要使用电池原厂家提供的充电器,过高的充电电压、过高的充电电流都会造成电池的损害。

④防水:电池掉入水中是很危险的,一定要注意避免。

以上就是关于锂离子电池的工作原理的详细先容,希翼对锂电朋友们有所帮助。如果有任何关于锂离子电池或者锂电池定制的问题,欢迎在诺信电子官网留言,大家会第一时间为您解答。

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锂离子电池

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