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锂离子电池

来源:锂离子电池?编辑:锂离子电池??发布时间:2020-05-13 14:58:05??阅读数:1142

锂离子电池可以说是大家最友好的电池朋友,它能够给大家的手机和笔记本电脑等设备提供电量,这些设备为改变大家的工作方式以及与大家的朋友,同事,零售商甚至陌生人的互动做出了巨大贡献。

智能手机对电力的需求将在不到一个小时的时间内使镍镉或镍氢电池变平,但是借助锂离子化学技术的高效性,大家一整天和妈妈聊天,观看视频,向朋友发送消息,收听音乐,在网上购买一双鞋子,获得导航说明,并拍摄无数照片。

那么锂离子电池有什么特别之处呢?他们的主要特点在于能量密度,大约是镍镉电池的两倍;这意味着一半大小的锂离子电池将提供相同的电量。它们紧凑小巧,这意味着它们比起启动汽车的重型铅酸电池更适合便携式电子产品。

锂离子电池为当今大多数便携式电子设备供电
锂离子电池为当今大多数便携式电子设备供电。 图片来源:Edvvc / Flickr。

锂离子电池的化学性质如何使其在竞争者中脱颖而出?

锂离子电池化学

锂离子电池中的两个电极均由可以嵌入或“吸取”锂离子(有点像镍氢电池中的氢离子)的材料制成。插层是指元素的带电离子可以“保留”在基质材料的结构内而不会显著干扰基质的情况。在锂离子电池的情况下,锂离子会“束缚”在阳极结构内的电子上。当电池放电时,嵌入的锂离子从阳极释放,然后穿过电解质溶液,在阴极吸取(嵌入)。

锂离子电池在完全放电的状态下开始其寿命:所有锂离子都嵌入阴极内,并且其化学性质尚无法产生任何电能。在使用电池之前,需要先对其充电。电池充电时,在阴极发生氧化反应,这意味着它会失去一些带负电的电子。为了维持阴极中的电荷平衡,将相等数量的一些带正电荷的嵌入锂离子溶解到电解液中。它们行进到阳极,然后插入石墨中。这种嵌入反应还将电子沉积到石墨阳极中,以“束缚”锂离子。

锂离子电池充电

在放电期间,锂离子从阳极脱嵌,并通过电解质返回到阴极。这也释放了将它们束缚到阳极的电子,这些电子流过外部导线,提供了大家用来做功的电流。正是外线的连接使反应得以进行-当电子自由移动时,带正电的锂离子也将平衡其负电荷的运动。

当阴极充满锂离子时,反应停止,电池电量耗尽。然后,大家再次为锂离子电池充电,并且施加的外部电荷将锂离子从阴极推回到阳极。

锂离子电池放电

锂离子电池中的电解质通常是锂盐在旨在改善电池性能的溶剂(例如碳酸二甲酯或碳酸二乙酯)混合物中的溶液。将锂盐溶解在电解质中意味着溶液中包含锂离子。这意味着单个锂离子不必完成从阳极到阴极的完整行程即可完成电路。当离子从阳极中被踢出时,已经在电极表面附近的电解质中伸出的其他离子很容易被吸取(嵌入)到阴极中。反之则发生在充电过程中。

用于锂离子阴极的微观材料
用于锂离子阴极的微观材料。 图片来源:巴斯夫/ Flickr。

小而轻,可以在两个电极中存储(嵌入)很多锂。这就是使锂离子电池具有高能量密度的原因。例如,石墨中每六个碳原子可存储一个锂离子,并且有更多的锂离子共享从阳极到阴极的行进(在充电循环中又返回),则有更多的电子平衡它们的运动并提供电流。

锂离子在电极之间的转移发生的电压要比其他类型的电池高得多,并且由于它们必须由相等数量的电子平衡,因此单个锂离子电池可以产生3.6伏或更高的电压,具体取决于在正极材料上。典型的碱性电池仅产生约1.5伏的电压。一个标准的铅酸汽车电池需要六个2伏电池堆叠在一起才能产生12伏电压。

由于它们的高能量密度和相对轻便的特性,因此将一个锂离子电池在一个地方堆叠在一起所产生的电池组比其他类型的电池组要轻得多且紧凑。如果大家将足够多的锂离子电池堆叠在一起,则可以达到相当高的电压,例如运行电动汽车所需的电压。

当然,大家所有的汽车都已经装有电池,但它们只是使汽油或柴油发动机运转,然后燃料完成了所有工作。电动汽车的电池是其全部能量来源,这使它不愿意爬上陡峭的山坡。因此,它通常将具有96伏或更高的电压,即使使用锂离子电池的高电压,也需要将许多电池堆叠在一起。

锂离子电池可以运行电动汽车
将锂离子电池堆叠在一起可以产生足够的电压来运行电动汽车。图片来源:HåkanDahlström/ Flickr。

阳极通常是石墨。然而,将锂离子重复插入典型的锂离子电池中的标准石墨结构中最终使石墨破裂。这会降低电池的性能,并且石墨阳极最终会损坏,并且电池将停止工作。研究人员正在研究使用石墨烯(碳的单原子厚片)而不是石墨的选择方案。您将更多地了解石墨烯,以及在即将到来的Nova主题中石墨烯为什么很棒。

就用于阴极的材料而言,存在很多变化-通常由锂,氧和某种金属的组合制成。

锂聚合物电池

用固体电解质代替锂离子电池中的液体电解质可提高电池的安全性并使其更轻。由于聚合物本身非常薄,因此它在形状和设计方面也具有更大的灵活性,不必包含在坚固的外壳中,并且可以使其非常紧凑。

聚合物电解质是仍然允许离子交换的非导电材料。在早期设计中,聚合物的导电性很差,因此除非加热到60摄氏度左右,否则它就无法促进离子交换,因此现在添加少量的凝胶可避免此问题。 

锂聚合物电池可以使用在锂离子电池中发现的任何电极组合。只是电解质有所不同。  

就像一般电池具有各种形状,尺寸和化学性质一样,锂离子电池也是如此。它们的各种不同的化学和结构提供不同的功能,通常在效率,成本和安全性之间进行权衡。 

锂离子电池对于大家的日常生活至关重要。它们将在未来一段时间与大家在一起,因为它们目前是为电动汽车提供动力并存储由风能和太阳能产生的能量的最佳选择,以便在风不吹或太阳不照耀的时候使用。 

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