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鋰離子電池的重要組成及原理介紹

鉅大LARGE  |  點擊量:72次  |  2020年10月25日  

摘要
鋰離子電池的主要組成:(1)正極活性物質主要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等,導電集流體一般使用厚度在10--20微米的鋁箔;(2)隔膜&md

鋰離子電池的重要組成:


(1)正極活性物質重要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等,導電集流體一般使用厚度在10--20微米的鋁箔;


(2)隔膜一種特殊的塑料膜,可以讓鋰離子通過,但卻是電子的絕緣體,目前重要有PE和PP兩種及其組合。還有一類無機固體隔膜,如氧化鋁隔膜涂層就是一種無機固體隔膜,;


(3)負極活性物質重要指石墨、鈦酸鋰、或近似石墨結構的碳材料,導電集流體一般使用厚度在7-15微米的銅箔;


(4)電解液一般為有機體系,如溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,另有些聚合物電池使用凝膠狀電解液;


(5)電池外殼重要分為硬殼(鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼等)和軟包(鋁塑膜)兩種。


當電池充電時,鋰離子從正極中脫嵌,在負極中嵌入,放電時反之。這就要一個電極在組裝前處于嵌鋰狀態,一般選擇相對鋰而言電位大于3V且在空氣中穩定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。


做為負極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物,如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物,包括SnO、SnO2、錫復合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2+3x+5y)/2)等。


電解質采用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。


隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復合膜,尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低,而且具有較高的抗穿刺強度,起到了熱保險用途。


外殼采用鋼或鋁材料,蓋體組件具有防爆斷電的功能。


基本工作原理


當對電池進行充電時,正極的含鋰化合物有鋰離子脫出,鋰離子經過電解液運動到負極。負極的炭材料呈層狀結構,它有很多微孔,到達負極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。


當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極?;卣龢O的鋰離子越多,放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。


在鋰離子電池的充放電過程中,鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態。這就像一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,而鋰離子就在搖椅兩端來回運動。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。


充放電機理


鋰離子電池的充電過程分為兩個階段:恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。


鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結構出現塌陷,而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入;過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結構,而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。


鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環壽命的2~4倍。


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