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介紹關于鋰離子電池的知識

鉅大LARGE  |  點擊量:449次  |  2019年05月24日  

摘要
鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它首要依靠Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌來作業。在充放電進程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀況;放電時則相反。鋰離子電池自商業化以來,被廣泛應用于便攜式的電子產品中,如筆記本電腦,手機、數碼相機等,可是隨著能源和環境問題的日益嚴重,轎車敞開了從燃油到電動化的浪潮,鋰離子電池是其動力的重要選擇之一。

鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它首要依靠Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌來作業。在充放電進程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀況;放電時則相反。鋰離子電池自商業化以來,被廣泛應用于便攜式的電子產品中,如筆記本電腦,手機、數碼相機等,可是隨著能源和環境問題的日益嚴重,轎車敞開了從燃油到電動化的浪潮,鋰離子電池是其動力的重要選擇之一。下面賢集網小編來為我們介紹更多關于鋰離子電池的知識,包含:鋰離子電池首要功能指標、首要分類、鋰離子電池容量衰減的原因!一同來看看吧!


鋰離子電池首要功能指標


1、電池的容量


電池的容量有額外容量和實踐容量之分。電池的額外容量是指電池在環境溫度為20℃±5℃條件下,以5h率放電至停止電壓時所應提供的電量,用C5表明。電池的實踐容量是指電池在必定的放電條件下所放出的實踐電量,首要受放電倍率和溫度的影響(故嚴厲來講,電池容量應指明充放電條件)。


容量單位:mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。


2、電池內阻


電池內阻是指電池在作業時,電流流過電池內部所遭到的阻力。有歐姆內阻與極化內阻兩部分組成。電池內阻值大,會導致電池放電作業電壓下降,放電時刻縮短。內阻巨細首要受電池的資料、制造工藝、電池結構等要素的影響。電池內阻是衡量電池功能的一個重要參數。


3、電壓


開路電壓是指電池在非作業狀況下即電路中無電流流過期,電池正負極之間的電勢差。一般狀況下,鋰離子電池充滿電后開路電壓為4.1—4.2V左右,放電后開路電壓為3.0V左右。經過對電池的開路電壓的檢測,能夠判斷電池的荷電狀況。作業電壓又稱端電壓,是指電池在作業狀況下即電路中有電流流過期電池正負極之間的電勢差。在電池放電作業狀況下,當電流流過電池內部時,不需克服電池的內阻所構成阻力,故作業電壓總是低于開路電壓,充電時則與之相反。鋰離子電池的放電作業電壓在3.6V左右。


4、放電渠道時刻


放電渠道時刻是指在電池滿電狀況下放電至某電壓的放電時刻。例對某三元電池測量其3.6V的放電渠道時刻,以恒壓充到電壓為4.2V,而且充電電流小于0.02C時停止充電即充滿電后,然后擱置10分鐘,在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時的放電時刻即為該電流下的放電渠道時刻。因某些運用鋰離子電池的用電器的作業電壓都有電壓要求,假如低于要求值,則會出現無法作業的狀況。所以放電渠道是衡量電池功能好壞的重要標準之一。


5、充放電倍率


充放電倍率是指電池在規則的時刻內放出其額外容量時所需要的電流值,1C在數值上等于電池額外容量,一般以字母C表明。如電池的標稱額外容量為10Ah,則10A為1C(1倍率),5A則為0.5C,100A為10C,以此類推。


6、自放電率


自放電率又稱荷電堅持才能,是指電池在開路狀況下,電池所儲存的電量在必定條件下的堅持才能。首要受電池的制造工藝、資料、儲存條件等要素的影響。是衡量電池功能的重要參數。


7、功率


(1)充電功率是指電池在充電進程中所耗費的電能轉化成電池所能儲存的化學能程度的測量。首要受電池工藝,配方及電池的作業環境溫度影響,一般環境溫度越高,則充電功率要低。


(2)放電功率是指在必定的放電條件下放電至終點電壓所放出的實踐電量與電池的額外容量之比,首要受放電倍率,環境溫度,內阻等要素影響,一般狀況下,放電倍率越高,則放電功率越低。溫度越低,放電功率越低。


8、循環壽數


電池循環壽數是指電池容量下降到某一規則的值時,電池在某一充放電準則下所經歷的充放電次數。鋰離子電池GB規則,1C條件下電池循環500次后容量堅持率在60%以上。


鋰離子電池的首要分類


一、依據鋰電池所用電解質資料不同,鋰電池能夠分為液態鋰電池(lithiumionbattery,簡稱為LIB)和聚合物鋰電池(polymerlithiumionbattery,簡稱為LIP)兩大類。


二、按充電方式可分為:不可充電的及可充電的兩類。


三、鋰電池外型分:有方型鋰電(如常用的手機電池)和柱形(如18650、18500);


四、鋰電池外包資料分:鋁殼鋰電池,鋼殼鋰電池,軟包電池;


五、鋰電池從正負極資料(添加劑)分:鈷酸鋰(LiCoO2)電池、錳酸鋰(LiMn2O4),磷酸鐵鋰電池,一次性二氧化錳鋰電池。


鋰離子電池容量衰減的原因


鋰離子電池是繼鎘鎳、氫鎳電池之后開展最快的二次電池。它的高能特性讓它的未來看起來一片光明??墒?,鋰離子電池并不完美,其最大的問題便是它的充放電循環的安穩性。本文總結并剖析了鋰離子電池容量衰減的或許原因,包含過充電,電解液分化及自放電。


原因一:過充電


1、石墨負極的過充反響:


電池在過充時,鋰離子簡單復原堆積在負極外表


堆積的鋰包覆在負極外表,堵塞了鋰的嵌入。導致放電功率下降和容量丟失,原因有:


①可循環鋰量減少;


②堆積的金屬鋰與溶劑或支撐電解質反響構成Li2CO3,LiF或其他產品;


③金屬鋰一般構成于負極與隔閡之間,或許堵塞隔閡的孔隙增大電池內阻;


④因為鋰的性質很活潑,易與電解液反響而耗費電解液.然后導致放電功率下降和容量的丟失。


快速充電,電流密度過大,負極嚴重極化,鋰的堆積會更加明顯。這種狀況簡單發作在正極活性物相關于負極活性物過量的場合??墒?,在高充電率的狀況下,即使正負極活性物的份額正常,也或許發作金屬鋰的堆積。


2、正極過充反響


當正極活性物相關于負極活性物份額過低時,簡單發作正極過充電。正極過充導致容量丟失首要是因為電化學惰性物質(如Co3O4,Mn2O3等)的發作,損壞了電極間的容量平衡,其容量丟失是不可逆的。


(1)LiyCoO2


LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4+O2(g)]+yLiCoO2y<0.4


一起正極資料在密封的鋰離子電池中分化發作的氧氣因為不存在再化合反響(如生成H2O)與電解液分化發作的可燃性氣體一起積累,后果將無法想象。


(2)λ-MnO2


鋰錳反響發作在鋰錳氧化物完全脫鋰的狀況下:λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)


3、電解液在過充時氧化反響


當壓高于4.5V時電解液就會氧化生成不溶物(如Li2Co3)和氣體,這些不溶物會堵塞在電極的微孔里面阻礙鋰離子的遷移而構成循環進程中容量丟失。


影響氧化速率要素:


(1)正極資料外表積巨細;


(2)集電體資料;


(3)所添加的導電劑(炭黑等);


(4)炭黑的品種及外表積巨細;


在目前較常用電解液中,EC/DMC被以為是具有最高的耐氧化才能。溶液的電化學氧化進程一般表明為:溶液→氧化產品(氣體、溶液及固體物質)+ne-。任何溶劑的氧化都會使電解質濃度升高,電解液安穩性下降,終究影響電池的容量。假設每次充電時都耗費一小部分電解液,那么在電池裝配時就需要更多的電解液。關于恒定的容器來說,這就意味著裝入更少量的活性物質,這樣會構成初始容量的下降。此外,若發作固體產品,則會在電極外表構成鈍化膜,這將引起電池極化增大而下降電池的輸出電壓。


原因二:電解液分化(復原)


1、電解質在正極上分化:


(1)電解液由溶劑和支撐電解質組成,在正極分化后一般構成不溶性產品Li2Co3和LiF等,經過堵塞電極的孔隙而下降電池容量,電解液復原反響對電池的容量和循環壽數會發作不良影響,而且因為復原發作了氣體會使電池內壓升高,然后導致安全問題。


(2)正極分化電壓一般大于4.5V(相關于Li/Li+),所以,它們在正極上不易分化。相反,電解質在負極較易分化。


2、電解質在負極上分化:


電解液在石墨和其它嵌鋰碳負極上安穩性不高,簡單反響發作不可逆容量。初度充放電時電解液分化會在電極外表構成鈍化膜,鈍化膜能將電解液與碳負極離隔阻止電解液的進一步分化。然后維持碳負極的結構安穩性。理想條件下電解液的復原限制在鈍化膜的構成階段,當循環安穩后該進程不再發作。


(1)鈍化膜的構成:


電解質鹽的復原參加鈍化膜的構成,有利于鈍化膜的安穩化,可是


①復原發作的不溶物對溶劑復原生成物會發作不利影響;


②電解質鹽復原時電解液的濃度減小,終究導致電池容量丟失(LiPF6復原生成LiF、LixPF5-x、PF3O和PF3);


③鈍化膜的構成要耗費鋰離子,這會導致南北極間容量失衡而構成整個電池比容量下降。


④假如鈍化膜上有裂縫,則溶劑分子能透入,使鈍化膜加厚,這樣不光耗費更多的鋰,而且有或許堵塞碳外表上的微孔,導致鋰無法嵌入和脫出,構成不可逆容量丟失。在電解液中加一些無機添加劑,如CO2,N2O,CO,SO2等,可加速鈍化膜的構成,并能抑制溶劑的共嵌和分化,加入冠醚類有機添加劑也有相同的效果,其間以12冠4醚最佳。


(2)成膜容量丟失的要素:


①工藝中運用碳的類型;


②電解液成份;


③電極或電解液中添加劑。


a、Blyr以為離子交換反響從活性物質粒子外表向其核心推進,構成的新相包埋了原來的活性物質,粒子外表構成了離子和電子導電性較低的鈍化膜,因而儲存之后的尖晶石比儲存前具有更大的極化。


b、Zhang經過對電極資料循環前后的溝通阻抗譜的比較剖析發現,隨著循環次數的添加,外表鈍化層的電阻添加,界面電容減小。反映出鈍化層的厚度是隨循環次數而添加的。錳的溶解及電解液的分化導致了鈍化膜的構成,高溫條件更有利于這些反響的進行。這將構成活性物質粒子直接觸電阻及Li+遷移電阻的增大,然后使電池的極化增大,充放電不完全,容量減小。


3、II電解液的復原機理


電解液中常常含有氧、水、二氧化碳等雜質,在電池充放電進程中發作氧化復原反響。電解液的復原機理包含溶劑復原、電解質復原及雜質復原三方面:


(1)溶劑的復原


PC和EC的復原包含一電子反響和二電子反響進程,二電子反響構成Li2CO3:


①Fong等以為,在第一次放電進程中,電極電勢接近O.8V(vs.Li/Li+)時,PC/EC在石墨上發作電化學反響,生成CH=CHCH3(g)/CH2=CH2(g)和LiCO3(s),導致石墨電極上的不可逆容量丟失。


②Aurbach等對各種電解液在金屬鋰電極和碳基電極上復原機理及其產品進行了廣泛的研究,發現PC的一電子反響機理發作ROCO2Li和丙烯。ROCO2Li對痕量水很靈敏,有微量水存在時首要產品為Li2CO3和丙稀,但在枯燥狀況下并無Li2CO3發作。


DEC的復原:


Ein-EliY報道,由碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)混合而成的電解液,在電池中會發作交換反響,生成碳酸甲乙酯(EMC),對容量丟失發作必定的影響。


(2)電解質的復原


電解質的復原反響一般被以為是參加了碳電極外表膜的構成,因而其品種及濃度都將影響碳電極的功能。在某些狀況下,電解質的復原有助于碳外表的安穩,可構成所需的鈍化層。一般以為,支撐電解質要比溶劑簡單復原,復原產品攙雜于負極堆積膜中而影響電池的容量衰減。幾種支撐電解質或許發作的復原反響如下:


(3)雜質復原


①電解液中水含量過高會生成LiOH(s)和Li2O堆積層,不利于鋰離子嵌入,構成不可逆容量丟失:


H2O+e→OH-+1/2H2


OH-+Li+→LiOH(s)


LiOH+Li++e-→Li2O(s)+1/2H2


生成LiOH(s)在電極外表堆積,構成電阻很大的外表膜,阻礙Li+嵌入石墨電極,然后導致不可逆容量丟失。溶劑中微量水(100-300×10-6)對石墨電極功能沒影響。


②溶劑中的CO2在負極上能復原生成CO和LiCO3(s):


2CO2+2e-+2Li+→Li2CO3+CO


CO會使電池內壓升高,而Li2CO3(s)使電池內阻增大影響電池功能。


③溶劑中的氧的存在也會構成Li2O


1/2O2+2e-+2Li+→Li2O


因為金屬鋰與完全嵌鋰的碳之間電位差較小,電解液在碳上的復原與在鋰上的復原類似。


原因三:自放電


<atarget=_blankhref='http://www.dghoppt.cn/product-list-13.html'><b>鋰離子電池</b></a>首要功能指標、首要分類及電池容量衰減的原因


自放電是指電池在未運用狀況下,電容量天然丟失的現象。鋰離子電池自放電導致容量丟失分兩種狀況:


一是可逆容量丟失;


二是不可逆容量的丟失。


1、可逆容量丟失是指丟失的容量能在充電時康復,而不可逆容量丟失則相反,正負極在充電狀況下或許與電解質發作微電池效果,發作鋰離子嵌入與脫嵌,正負極嵌入和脫嵌的鋰離子只與電解液的鋰離子有關,正負極容量因而不平衡,充電時這部分容量丟失不能康復。如:


鋰錳氧化物正極與溶劑會發作微電池效果發作自放電構成不可逆容量丟失:


LiyMn2O4+xLi++xe-→Liy+xMn2O4


溶劑分子(如PC)在導電性物質碳黑或集流體外表上作為微電池負極氧化:


xPC→xPC-自由基+xe-


相同,負極活性物質或許會與電解液發作微電池效果發作自放電構成不可逆容量丟失,電解質(如LiPF6)在導電性物質上復原:


PF5+xe-→PF5-x


充電狀況下的碳化鋰作為微電池的負極脫去鋰離子而被氧化:


LiyC6→Liy-xC6+xLi+++xe-


2、自放電影響要素:正極資料的制造工藝,電池的制造工藝,電解液的性質,溫度,時刻。


3、自放電速率首要受溶劑氧化速率操控,因而溶劑的安穩性影響著電池的儲存壽數。


4、溶劑的氧化首要發作在碳黑外表,下降碳黑外表積能夠操控自放電速率,但關于LiMn2O4正極資料來說,下降活性物質外表積相同重要,一起集電體外表對溶劑氧化所起的效果也不容忽視。


5、經過電池隔閡而泄漏的電流也能夠構成鋰離子電池中的自放電,但該進程遭到隔閡電阻的限制,以極低的速率發作,并與溫度無關??紤]到電池的自放電速率激烈地依賴于溫度,故這一進程并非自放電中的首要機理。


6、假如負極處于足夠電的狀況而正極發作自放電,電池內容量平衡被損壞,將導致永久性容量丟失。


7、長時刻或常常自放電時,鋰有或許堆積在碳上,增大南北極間容量不平衡程度。


8、Pistoia等比較了3種首要金屬氧化物正極在各種不同電解液中的自放電速率,發現自放電速率隨電解液不同而不同。并指出自放電的氧化產品堵塞電極資料上的微孔,使鋰的嵌入和脫出困難而且使內阻增大和放電功率下降,然后導致不可逆容量丟失。


上述是賢集網小編為我們解說的鋰離子電池首要功能指標、首要分類、鋰離子電池容量衰減的原因。希望這些知識能夠加深我們對鋰離子電池的了解!在這里小編還要提醒我們幾點,首先防止鋰離子電池在嚴格條件下運用,如:高溫、高濕度、夏天陽光下長時刻暴曬等,防止將電池投入火中。拆鋰離子電池時,應保證用電用具處于電源關閉狀況;運用溫度應堅持在-20~50℃之間。還有,防止將鋰離子電池長時刻"寄存"在停止運用的用電用具中。只有悉心保護,才能夠延伸它的運用壽數!


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