锂离子动力电池是什么?

锂离子动力电池是目前比较环保的新能源电池之一,我们从锂离子动力电池材料、结

构、分类、使用环境温度和优缺点这几方面来深入理解锂离子电池。

1、锂离子动力电池材料项目

目前较为常用的锂电池材料有钻酸锂、镍酸锂以及锰酸锂。用得最多的材料是钻酸锂

,循环性能好,制造也方便,缺点是钻化合物价格较贵。镍酸锂的因为性质不稳定,

制造困难,通常用得较多的是钻酸锂掺杂镍的化合物,又称镍钻酸锂。锰酸锂也是非

常好的材料,在高温下锰酸锂的衰减比较快等诸多原因,目前应用多数还停留在实验

室阶段。
磷酸铁锂电池的磷酸基正极材料依其超长的循环寿命,极好的安全性能,较好的高温

性能,极其低廉的价格,而且低温性能和倍率放电已经可以达到钻酸锂的水平等,使

其成为最有希望的动力电池材料。

2、锂离子动力电池的结构

电池一般包括:正极(positive)、负极(negative)、电解质(electrolyte)、隔膜(separator)、正极引线(positivelead)、负极引线(negativeplate)、中心端子、绝缘材料(insulator)、安全阀(safetyvent)、密封圈(gasket)、PTC(正温度控制端子)、电池壳。一般大家较关心正极、负极、电解质。

3、锂离子动力电池分类

(1)按照电池外形
圆柱形锂离子电池:目前主要为18650(直径18mm,长度65mm)和26650(直径26mm,长度65mm)两种型号,主要应用于笔记本和电动工具领域;
方形锂离子电池:种类较多,主要应用于手机、数码相机等领域;
扣式锂离子电池:可满足计算机、摄像机等对高比容量和薄型化的要求;
(2)按使用温度
高温锂离子电池:主要应用于军工、航天等领域,民用领域主要是汽车的GPS领域;
常温锂离子电池:目前商业化的锂离子电池基本丢只能在-20~45℃范围内工作;
低温锂离子电池:目前商业化的锂离子电池基本丢只能在-40~55℃范围内工作;
(3)按电解质的状态
液态锂离子电池:电解质为有机溶剂+锂盐;
聚合物锂离子电池:聚合物的基体主要为HFP-PVDF、PEO、PAN和PMMA等;
全固态锂离子电池:还处在实验阶段;
(4)按外壳材质
钢壳锂离子电池:密封性较好;
铝壳锂离子电池:质量轻;
铝塑膜锂离子电池:电池生产工艺简单,电池的质量比能量高;
(5)按正极材料分类
钻酸锂电池:应用最广,振实密度高,比能量高,电压平台稳,但是原来贵,对环境有污染,安全性差;
锰酸锂:三维隧道的结构,锂离子可以可逆地从尖晶石晶格中脱嵌,不会引起结构的塌陷,因而具有优异的倍率性能和稳定性。环境友好,但能量密度低、高温性能大;
磷酸铁锂电池:比表面积大,能量密度高,循环性能好,材料批量化生产很难达到较高的一致性,低温放电性能不好;

(6)按负极材料分类

石墨:电导性好,结晶度高,具有良好的层状结构适合Li的脱嵌,容量在300mAh/g以上,充放电效率90%以上,良好的充放电平台;
软碳:结晶度低,晶粒尺寸小,与电解液相容性好,输出电压低,无明显充放电平台,不可逆容量较高,基本没商业化;
硬碳:Li嵌入不会引起膨胀,又良好的充放电循环性能,较高的比容量,可达到400mAh/g以上,并且低温性能好,是理想的电动汽车电池负极材料,日本已经商业化;
钛酸锂:“零应变”材料,电位较高不会形成锂枝晶,目前研究较热,但由于胀气问题至今未得到大规模应用;
硅基:超高的比容量,但由于粉化问题,无法真正使用,仍处于实验室研究阶段;

4、锂离子动力电池使用的环境温度
目前锂离子动力电池使用的环境温度最低-40℃,最高70℃;而温度范围为-40℃——50℃,-20℃——60℃;
不同温度下,锂离子电池放电能力和放电容量也会不同,一般说在常温下放电性能是最好的,其他高温或是低温,放电性能都会降低。

5、锂离子动力电池优点与不足

锂离子动力电池优点
a、电压高:单体电池的工作电压高达3.7-3.8V(电芯电压最高可充到4.2V),是Ni-

Cd、Ni-H电池的3倍。
b、比能量大:目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右,即材料能达到150mAh/g以上

的比容量(3-4倍于Ni-Cd,2-3倍于Ni-MH),已接近于其理论值的约88%。
c、循环寿命长:一般均可达到500次以上,甚至1000次以上,磷酸铁锂的可以达到

2000次以上。对于小电流放电的电器,电池的使用期限,将倍增电器的竞争力。
d、安全性能好:无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝

晶发生短路,缩减了其应用领域:Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素:

部分工艺(如烧结式)的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”,严重束缚电池的

使用,但Li-ion根本不存在这方面的问题。
e、自放电小:室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右,大大低于

Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。
f、可快速充放电:充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上,现在磷铁电池可以

达到10分钟充电到标称容量的90%。
g、工作温度范围高:工作温度为-25~55°C,随着电解液和正极的改进,期望能扩宽

到-40~70°C。

锂离子动力电池缺点:

a、衰老:与其它充电电池不同,锂离子电池的容量会缓慢衰退,与使用次数无关,而

与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高,所以,在工作电流高的电子产品更容易体

现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。
储存温度与容量永久损失速度的关系:

充电电量 储存温度0℃ 储存温度25℃ 储存温度40℃ 储存温度60℃
40%~60%2% 2%/年 4%/年 15%/年 25%/年

100% 6%/年 20%/年 35%/年 80%/6月

b、不耐受过充:过充电时,过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中,无法再释放,可

导致电池寿命短及产气造成气鼓。

c、不耐受过放:过放电时,电极脱嵌过多锂离子,可导致晶格坍塌,从而缩短寿命及

产气造成气鼓。
d、需要多重保护机制:由于错误使用会减少寿命,甚至可能导致爆炸,所以,锂离子

电池设计时增加了多种保护机制。
保护电路:防止过充、过放、过载、过热。
排气孔:避免电池内部压强过大。
隔膜特性:有较高的抗穿刺强度,防止内部短路;在电池内部温度过高时还能融化,

阻止锂离子通过,阻滞电池反应,升高内阻(至2kQ)。

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