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    鋰離子電池

    2017/1/21 22:57:41

      鋰是鋰離子電池的核心,它是最輕的金屬元素,金屬鋰的比重只有水的一半,鋁是較輕的金屬,鋰的比重只有鋁的五分之一。鋰的電負性是所有金屬中最負的,鋰離子的還原電位高達-3V。根據計算,1克鋰轉化為鋰離子時所能得到的電荷數為3860mAh。鋰電池的研究可追溯到20世紀50年代,于70年代進入實用化,因其具有比能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、儲存壽命長等優點,已廣泛應用于軍事和民用電器中。鋰離子電池與鋰電池在原理上的相同之處是:兩種電池采用一種能使鋰離子嵌入和脫出的金屬氧化物或硫化物作為正極,采用一種有機溶劑—無機鹽體系作為電解質。不同之處是:在鋰離子電池中采用可使鋰離子嵌入和脫出的碳材料代替純鋰作為負極。鋰電池的負極(陽極)采用金屬鋰,在充電過程中,金屬鋰會在鋰負極上沉積,產生枝晶鋰。枝晶鋰可能穿透隔膜,造成電池內部短路,以致發生爆炸。為克服鋰電池的不足,提供電池安全可靠性,于是鋰離子電池應運而生。

      鋰離子電池的優點主要表現在:體積小、重量輕、能量密度高、輸出功率大;平均輸出電壓高(約3.6V),為Ni-Cd、Ni-MH電池的三倍;工作溫度范圍寬,一般能在-20-45℃,期望值為-40-70℃;無記憶效應;可快速充放電,充放電效率高,可達100%;無環境污染;

      鋰離子電池是指其中的Li+嵌入和脫逸正負極材料的一種可充放電的高能電池,其正極材料一般采用插鋰化合物,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 、LiFePO4等,負極采用鋰-碳層間化合物LixC6,電解質為了溶解鋰鹽(如LiPF6、LiAsF6、LiClO4等)的有機溶劑。溶劑主要有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)和氯碳酸酯(ClMC)等。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌,被形象稱為“搖椅電池”(Rocking Chair Batteries,縮寫為RCB)或“羽毛球電池”,如圖所示。



      鋰離子電池的化學表達式為:(-)Cn ∣ LiPF6 - EC + DEC ∣ LiMXOy(+)


      充電


      其電池反應則為:LiMXOy + nC   ?     Li 1-x MXOy + LixCn  
       
      放電


      鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池,充電時,Li+從正極脫出,經過電解質嵌入到負極,負極處于富鋰狀態,正極處于貧鋰狀態,同時電子的補償電荷從外電路供給碳負極,以確保電荷的平衡。即負極得到電子,屬還原反應,而正極失去電子,屬氧化反應;放電時則相反,Li+從負極脫出,經過電解質嵌入到正極,正極處于富鋰狀態,即正極得到電子,屬還原反應,而負極失去電子,屬氧化反應。在正常的充放電情況下,鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結構氧化物的層間嵌入和脫出,一般只引起材料的層面間距變化,不破壞其晶體結構,在充放電過程中,負極材料的化學結構基本不變。因此,從充放電反應的可逆性看,鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應。

      鋰離子電池各組件或材料要求:

      ①正極





      ②負極



            ③隔膜:

      放置于兩極之間,作為隔離電極的裝置,藉以避免兩極上的活性物質直接接觸而造成電池內部的短路。但隔膜仍需能讓帶電離子通過,以形成通路。

      要求:離子透過度大; 機械性強度適當; 本身為絕緣體; 不與電解液及電極發生反應。

      材料:單層PE(聚乙烯)或者三層復合PP(聚丙烯)+PE+PP

      厚度:單層一般為0.016~0.020mm

      三層一般為0.020~0.025mm

      ④ 電解液

      性質:無色透明液體,具有較強吸濕性。

      應用:主要用于可充電鋰離子電池的電解液,只能在干燥環境下使用操作(如 環境水分小于20ppm的手套箱內)。

      規格:溶劑組成 DMC:EMC:EC =1:1:1 (重量比)

      LiPF6濃度 1mol/l

      質量指標:密度(25℃)g/cm3     1.23±0.03

      水分(卡爾費休法)     ≤20ppm

      游離酸(以HF計)       ≤50ppm

      電導率(25℃)         10.4±0.5 ms/cm

      鋰離子電池生產工藝流程


      鋰離子電池的命名

      (1)  圓柱形的命名

      用三個字母和5位數字來表示,前兩個字母表示鋰離子電池(LI),后一個字母表示圓柱形(R),前兩位數字表示以mm為單位的最大直徑,后三位數字表示以0.lmm為單位的最大高度,如LIR18500即表示直徑為18mm,高50mm的圓柱形鋰離子電池。

      (2) 方形的命名

      用三個字母和6位數字來表示,前兩個字母表示鋰離子電池(LI),后一個字母表示方形(S),前兩位數字表示以mm為單位的最大厚度,中間兩位數字表示以mm為單位的寬度,后兩位數字以mm為單位的最大高度,如LIS043048即表示厚度為4mm,寬30mm,高48mm的方形鋰離子電池。


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