技术讲座 锂离子电池基础知识(上)

电池仓储在线O2O服务平台2020-04-15 03:07:18


1 锂离子电池基础知识

锂是锂离子电池的核心,它是最轻的金属元素,金属锂的比重只有水的一半,铝是较轻的金属,锂的比重只有铝的五分之一。锂的电负性是所有金属中最负的,锂离子的还原电位高达-3V。根据计算,1克锂转化为锂离子时所能得到的电荷数为3860mAh,加之它的大于3V的工作电压,锂作为电池的负极材料当之无愧轻量级的大力士。

早期负极为金属锂的锂电池,但金属锂的化学活性太大,充电时产生的枝晶会使电池短路,目前尚未真正解决其安全问题。经过长期的探索、研究,发现锂可与许多金属形成合金,其活性要小许多,更奇妙的是锂可以在许多层状结构的物质中可逆地嵌入和脱出。锂以这些材料为载体就安全多了。

锂离子电池的未来将发展新的正负极材料, 如部分动力电池:负极LiC+正极LiMn2O4锂聚合物电池。在正、负电极粘结剂、电解质三者中任何一种使用高分子聚合物的锂离子电池就可以成为锂聚合物电池。现在常见的是使用高分子胶体取代常规液体电解质的锂聚合物电池。

1.1锂离子电池简介

    正极采用锂化合物LiXCoO2LiXNiO2 LiFePO4LiXMnO2

   负极采用锂-碳层间化合物LiXC6

    电解质为溶解有锂盐LiPF6 LiAsF6等有机溶液。

     充电池时,此时正极上的电子从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极跳进电解液里,爬过隔膜上弯弯曲曲的小洞,游泳到达负极,与早就跑过来的电子结合在一起。Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态。

放电有恒流放电和恒阻放电,恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻,恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知,只要负极上的电子不能从负极跑到正极,电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的,方向相同但路不同,放电时,电子从负极经过电子导体跑到正极,锂离子Li+从负极跳进电解液里,爬过隔膜上弯弯曲曲的小洞,游泳到达正极,与早就跑过来的电子结合在一起。

离子电池又称为摇椅电池,是指以可供锂离子嵌入脱嵌的物质作为正、负极的二次电池。电解质一般采用溶解有锂盐的有机溶液根据所用电解质的状态,可分为液态锂离子电池、聚合物锂离子电池和全固态锂离子电池。

1.2锂离子电池的工作原理

(1) 锂离子电池电化学反应机理

一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成,外加正负极引线,安全阀,PTC(正温度控制端子),电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多,但其工作原理大致相同。充电时,锂离子从正极材料中脱嵌,经过隔膜和电解液,嵌入到负极材料中,放电以相反过程进行。以典型的液态锂离子为例,当以石墨为负极材料,以LiCoO2为正极材料时,其充放电原理为:

    正极反应:LiCoO2== Li1-xCoO2+ xLi+ + xe-

    负极反应:6C + xLi++ xe- == LixC6

    电池总反应:LiCoO2 + 6C ==Li1-xCoO2 + LixC6

    放电时发生上述反应的逆反应。

充电时,Li+LiCoO2中发生脱嵌,释放一个电子,C3+被氧化为C4 +,与此同时,Li+经过隔膜和电解液迁移到负极石墨表面,进而插入到石墨结构中,石墨结构同时得到一个电子,形成锂碳层间化合物LixC6,放电时过程则相反,Li+从石墨结构脱插,嵌入到正极LiCoO2中。

2)锂离子电池的优点

      ① 能量密度高,输出功率大。

② 平均输出电压高(3.6V),为Ni-CdNi-MH电池的三倍。

③ 工作温度范围宽,一般能在-20-45℃,期望值为-40-70℃。

④ 无记忆效应。

⑤ 可快速充放电,充放电效率高,可达100%。

⑥ 没有环境污染,称为绿色电池。

⑦ 使用寿命长,可达1200次左右。

3)锂离子电池结构

  正极


  负极


  隔膜:

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。

要求:离子透过度大; 机械性强度适当; 本身为绝缘体; 不与电解液及电极发生反应。

材料: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0.0160.020mm

           三层一般为0.0200.025mm

④ 电解液

   性质:无色透明液体,具有较强吸湿性。

   应用:主要用于可充电锂离子电池的电解液,只能在干燥环境下使用操作(如 环境水分小于20ppm的手套箱内)。

    规格:溶剂组成 DMC:EMC:EC =1:1:1 (重量比)

            LiPF6浓度 1mol/l

质量指标:密度(25℃)g/cm3      1.23±0.03

          水分(卡尔费休法)    20ppm

          游离酸(以HF计)       50ppm

          电导率(25℃)            10.4±0.5 mscm