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智能化進(jìn)程中的鋰離子電池

傳感器技術(shù) ? 來源:傳感器技術(shù) ? 2024-12-06 10:45 ? 次閱讀
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電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械和家用電器的普及,以及集成電路的發(fā)展,不僅要求化學(xué)電源體積小,而且還要求能量密度高、密封性和貯存性能好、電壓精度高。因此電池池的研究重點轉(zhuǎn)向蓄電池,1988年,鎳鎘電池實現(xiàn)商品化。1992年,鋰離子電池實現(xiàn)商品化。

鋰離子電池

鋰離子電池是一種充電電池,它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電池時,Li+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池,是現(xiàn)代高性能電池的代表。

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鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹之前,先介紹鋰電池。舉例來講,以前照相機(jī)里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯,負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。這種電池也可以充電,但循環(huán)性能不好,在充放電循環(huán)過程中,容易形成鋰結(jié)晶,造成電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

鋰離子電池:炭材料鋰電池

后來,日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極,以含鋰的化合物作正極的鋰電池,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。當(dāng)對電池進(jìn)行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu),它有很多微孔,達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣,當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極。回正極的鋰離子越多,放電容量越高。

目前所說的鋰離子電池通常為鋰二次電池。

1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨這種鋰離子電池,該電池成功的利用能可逆脫嵌鋰的碳材料替代金屬鋰作為負(fù)極,克服了鋰二次電池循環(huán)壽命低、安全性差的缺點,鋰離子電池得以商品化。標(biāo)志著電池工業(yè)的一次革命。

鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆:

(1)鋰電池:以金屬鋰為負(fù)極。

(2)鋰離子聚合物電池:用聚合物來凝膠化液態(tài)有機(jī)溶劑。或者直接用全固態(tài)聚合物電解質(zhì)。

鋰離子電池一般以石墨類碳材料為負(fù)極。

鋰離子電池特點

與鎳鎘(Ni/Cd)、鎳氫(Ni/MH)電池相比,鋰離子電池的主要特點如下:

鎳鎘
電池
鎳氫
電池
鉛酸
電池
鋰離子
電池
聚合物鋰離子電池
重量能量密度
(Wh/kg)
45-80 60-120 30-50 110-160 100-130
循環(huán)壽命
(至初始容量80%)
1500 300-500 200-300 500-2000 300-500
單體額定電壓(V) 1.25 1.25 2 3.6 3.6
過充承受能力 中等 非常低
月自放電率
(室溫)
20% 30% 5% 10% ~10%

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鋰離子電池的發(fā)展歷史

1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負(fù)極材料,制成首個鋰電池。

1982年伊利諾伊理工大學(xué)(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性,此過程是快速的,并且可逆。與此同時,采用金屬鋰制成的鋰電池,其安全隱患備受關(guān)注,因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功。

1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料,具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰,即使出現(xiàn)短路、過充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。

1989年,A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。

1992年索尼公司發(fā)布首個商用鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費電子產(chǎn)品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池,至今仍是便攜電子器件的主要電源

1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽,如磷酸鐵鋰(LiFePO4),比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性,尤其耐高溫,耐過充電性能遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)鋰離子電池材料。因此已成為當(dāng)前主流的大電流放電的動力鋰電池的正極材料。

綜觀電池發(fā)展的歷史,可以看出當(dāng)前世界電池工業(yè)發(fā)展的三個特點,一是綠色環(huán)保電池迅猛發(fā)展,包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等;二是一次電池向蓄電池轉(zhuǎn)化,這符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略;三是電池進(jìn)一步向小、輕、薄方向發(fā)展。在商品化的可充電池中,鋰離子電池的比能量最高,特別是聚合物鋰離子電池,可以實現(xiàn)可充電池的薄形化。正因為鋰離子電池的體積比能量和質(zhì)量比能量高,可充且無污染,具備當(dāng)前電池工業(yè)發(fā)展的三大特點,因此在發(fā)達(dá)國家中有較快的增長。電信、信息市場的發(fā)展,特別是移動電話和筆記本電腦的大量使用,給鋰離子電池帶來了市場機(jī)遇。而聚合物鋰離子電池以其在加工性能、質(zhì)量、材料價格等方面的獨特優(yōu)勢,將逐步取代液體電解質(zhì)鋰離子電池,而成為鋰離子電池的主流。聚合物鋰離子電池被譽(yù)為“21世紀(jì)的電池”,將開辟蓄電池的新時代,發(fā)展前景十分樂觀。

鋰離子電池類型

1、圓柱型鋰離子電池(Cylindrical Li-ionBattery)

圓柱型的外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示,通常正負(fù)極與隔膜被繞卷到負(fù)極柱上,再裝入圓柱型鋼殼,然后注入電解液,封口,最后產(chǎn)品得以成型。下圖中還包括正溫度系數(shù)端子(PTC)和安全閥(Safety Vent)等安全部件。

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2、方型鋰離子電池(PrismaticLi-ion Battery)

方型鋰離子電池外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示,其主要部件與圓柱型鋰離子電池類似,主要也是由正負(fù)極和電解質(zhì),以及外殼等部件組成。通常電解質(zhì)為液態(tài)時,使用鋼殼;若使用聚合物電解質(zhì),則可以使用鋁塑包裝材料。

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3、紐扣鋰離子電池(Coin Li-ion Battery)

除圓柱型鋰離子電池和方型鋰離子電池外,還有紐扣鋰離子電池(Coin

Li-ion Battery),這種電池結(jié)構(gòu)簡單,通常用于科研測試。

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4、薄膜鋰離子電池(ThinFilm Li-ion Battery )

薄膜鋰離子電池是鋰離子電池發(fā)展的最新領(lǐng)域, 其厚度可達(dá)毫米甚至微米級,常用于銀行防盜跟蹤系統(tǒng)、電子防盜保護(hù)、微型氣體傳感器、微型庫侖計等微型電子設(shè)備。

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鋰離子電池 的主要組成部分

(1)正極——活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰,鎳鈷錳酸鋰材料,電動自行車則普遍用鎳鈷錳酸鋰(俗稱三元)或者三元+少量錳酸鋰,純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導(dǎo)電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

(2)隔膜——一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔結(jié)構(gòu),可以讓鋰離子自由通過,而電子不能通過。

(3)負(fù)極——活性物質(zhì)為石墨,或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳,導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

(4)有機(jī)電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,聚合物的則使用凝膠狀電解液。

(5)電池外殼——分為鋼殼(方型很少使用)、鋁殼、鍍鎳鐵殼(圓柱電池使用)、鋁塑膜(軟包裝)等,還有電池的蓋帽,也是電池的正負(fù)極引出端。

鋰離子電池的工作原理

當(dāng)對電池進(jìn)行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu),它有很多微孔,達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣,當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極。回正極的鋰離子越多,放電容量越高。

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一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間,電流越大,充電越快,同時電池發(fā)熱也越大。而且,過大的電流充電,容量不夠滿,因為電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時間。就跟倒啤酒一樣,倒太快的話會產(chǎn)生泡沫,反而不滿。

對電池來說,正常使用就是放電的過程。鋰電池放電需要注意幾點:

第一,放電電流不能過大,過大的電流導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱,有可能會造成永久性的損害。在手機(jī)上,這個倒是沒有問題的,可以不考慮。

第二,絕對不能過放電!鋰電池最怕過放電,一旦放電電壓低于2.7V,將可能導(dǎo)致電池報廢。好在手機(jī)電池內(nèi)部都已經(jīng)裝了保護(hù)電路,電壓還沒低到損壞電池的程度,保護(hù)電路就會起作用,停止放電。從圖上可以看出,電池放電電流越大,放電容量越小,電壓下降更快。

作用機(jī)理

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌(習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負(fù)極用插入或脫插表示)。在充放電過程中,鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插,被形象地稱為“搖椅電池”。

鋰離子電池的制作工藝

鋰電池的正極材料有鈷酸鋰LiCoO2 、三元材料Ni+Mn+Co、錳酸鋰LiMn2O4加導(dǎo)電劑和粘合劑,涂在鋁箔上形成正極,負(fù)極是層狀石墨加導(dǎo)電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上,至今比較先進(jìn)的負(fù)極層狀石墨顆粒已采用納米碳。

1、制漿:用專門的溶劑和粘結(jié)劑分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)混合,經(jīng)攪拌均勻后,制成漿狀的正負(fù)極物質(zhì)。

2、涂膜:通過自動涂布機(jī)將正負(fù)極漿料分別均勻地涂覆在金屬箔表面,經(jīng)自動烘干后自動剪切制成正負(fù)極極片。

3、裝配:按正極片—隔膜—負(fù)極片—隔膜自上而下的順序經(jīng)卷繞注入電解液、封口、正負(fù)極耳焊接等工藝過程,即完成電池的裝配過程,制成成品電池。

4、化成:將成品電池放置測試柜進(jìn)行充放電測試,篩選出合格的成品電池,待出廠。

聚合物鋰離子電池

作為第三代鋰離子電池的聚合物鋰電,有什么特點和優(yōu)勢,下面我們來簡單的介紹一下

隨著便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣、市場需求越來越多,鋰電池的需求量也隨之增加。基于如此廣闊的市場,世界各大電池公司為了在這個市場領(lǐng)域中取得領(lǐng)先的地位,無不致力于開發(fā)具有更高能量密度、小型化、薄型化、輕量化、高安全性、長循環(huán)壽命與低成本的新型電池。其中,聚合物鋰離子(Lithium ion polymer)電池因為具有上述各項優(yōu)點,更是各家廠商致力研發(fā)的目標(biāo)。聚合物鋰離子電池基于安全、輕薄等特性,符合便攜、移動產(chǎn)品的要求,因此,在未來2~3年內(nèi),聚合物鋰電池取代鋰離子電池市場的份額將達(dá)50%,被稱為21世紀(jì)移動設(shè)備的最佳電源解決方案。

使用聚合物鋰電的八大理由:

安全性能好 聚合物鋰電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑軟包裝,有別于液態(tài)電芯的金屬外殼,一旦發(fā)生安全隱患,液態(tài)電芯容易爆炸,而聚合物電芯最多只會氣鼓。

厚度小,能做得更薄 普通液態(tài)鋰電采用先定制外殼,后塞正負(fù)極村料的方法,厚度做到3.6mm以下存在技術(shù)瓶頸,聚合物電芯則不存在這一問題,厚度可做到1mm以下,符合時下手機(jī)需求方向。

重量輕 聚合物電池重量較同等容量規(guī)格的鋼殼鋰電輕40%,較鋁殼電池輕20%。

容量大 聚合物電池較同等尺寸規(guī)格的鋼殼電池容量高10~15%,較鋁殼電池高5~10%,成為彩屏手機(jī)及彩信手機(jī)的首選,現(xiàn)在市面上新出的彩屏和彩信手機(jī)也大多采用聚合物電芯。

內(nèi)阻小 聚合物電芯的內(nèi)阻較一般液態(tài)電芯小,目前國產(chǎn)聚合物電芯的內(nèi)阻甚至可以做到35mΩ以下,極大的減低了電池的自耗電,延長手機(jī)的待機(jī)時間,完全可以達(dá)到與國際接軌的水平。這種支持大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的理想選擇,成為最有希望替代鎳氫電池的產(chǎn)品。

形狀可定制 聚合物電池可根據(jù)客戶的需求增加或減少電芯厚度,開發(fā)新的電芯型號,價格便宜,開模周期短,有的甚至可以根據(jù)手機(jī)形狀量身定做,以充分利用電池外殼空間,提升電池容量。

放電特性佳 聚合物電池采用膠體電解質(zhì),相比液態(tài)電解質(zhì),膠體電解質(zhì)具有平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺。

保護(hù)板設(shè)計簡單 由于采用聚合物材料,電芯不起火、不爆炸,電芯本身具有足夠的安全性,因此聚合物電池的保護(hù)線路設(shè)計可考慮省略PTC和保險絲,從而節(jié)約電池成本。

石墨烯在鋰離子電池電極材料的應(yīng)用

石墨烯是單層的碳原子,以sp2雜化軌道組成的片狀連續(xù)六角型的二維材料。它是已知的世上最薄、最高強(qiáng)度和硬度、幾乎完全透明的晶體材料,只吸收2.3%的可見光,理想狀態(tài)下的強(qiáng)度約為普通鋼的100倍。在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300W /(m·K),與碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)上限5 800W /(m·K)相當(dāng),室溫下它的電子遷移率在15 000cm2/(V·s)以上,高于一般的碳納米管并高于硅晶體10倍以上,它的電阻率約為10-6Ω·m,低于銅和銀,為世上電阻率最小的材料,理論比表面積可達(dá)到2 630 m2/g。

石墨烯的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、低電阻率、高強(qiáng)度和硬度,以及易與其他材料合成的雙面開放的結(jié)構(gòu)特性,將有希望大幅度提高現(xiàn)有鋰離子電池的性能。根據(jù)許多石墨烯鋰離子電池的研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn),石墨烯在改善鋰離子電池性能方面的潛能。石墨烯與鋰離子電池的正極材料復(fù)合,可以增加電極材料的比表面積、改善導(dǎo)電率從而提高材料的有效容量。與金屬氧化物復(fù)合可以增加材料的導(dǎo)電率,由于石墨烯本身的結(jié)構(gòu)特性可以避免金屬氧化物在充放電過程中的體積膨脹,從而增加材料的穩(wěn)定性,提高材料的充放電壽命。


現(xiàn)階段,石墨烯本身質(zhì)量難以達(dá)到無缺陷和100%的單層率,導(dǎo)致石墨烯鋰離子電池的性能,無法到達(dá)預(yù)期的性能。但是在石墨烯制備技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢下,石墨烯質(zhì)量較之前有大幅度提升,我們可以預(yù)期未來的石墨烯電池的性能將有更大幅度的性能提升。

近年來,可穿戴設(shè)備、 無線藍(lán)牙音箱等新興電子產(chǎn)品市場前景可觀。隨著智能化進(jìn)程,預(yù)計3C鋰電池市場需求將會持續(xù)增長。對于鋰電池企業(yè)來說,應(yīng)把握市場發(fā)展趨勢,充分挖掘新興電子產(chǎn)品市場需求,研發(fā)出高安全、高倍率的3C鋰離子電池。

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    商品化石墨負(fù)極的發(fā)展與趨勢,深入討論了電極界面對石墨負(fù)極電化學(xué)性能影響的重要性與意義,展望了石墨負(fù)極在鋰離子電池應(yīng)用未來的發(fā)展趨勢,強(qiáng)調(diào)了界面調(diào)控工程對推進(jìn)鋰離子電池未來發(fā)展的重要作用與意義。
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    石墨負(fù)極在<b class='flag-5'>鋰離子電池</b>中的發(fā)展與儲鋰機(jī)制

    在便攜式應(yīng)用中使用鎳氫電池鋰離子電池

    電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《在便攜式應(yīng)用中使用鎳氫電池鋰離子電池.pdf》資料免費下載
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    在便攜式應(yīng)用中使用鎳氫<b class='flag-5'>電池</b>和<b class='flag-5'>鋰離子電池</b>

    鋰離子電池的種類有哪些

    鋰離子電池的工作原理其實相當(dāng)精妙。它主要由四大主材構(gòu)成:正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜。其中,正極和負(fù)極材料統(tǒng)稱為電極材料,是電池性能與價格的關(guān)鍵因素。
    的頭像 發(fā)表于 10-16 14:22 ?1119次閱讀
    <b class='flag-5'>鋰離子電池</b>的種類有哪些

    鋰離子電池自動檢測化成分容柜:電池生產(chǎn)的新動力

    在快速發(fā)展的新能源行業(yè)鋰離子電池作為核心部件,其性能與品質(zhì)直接關(guān)系到整個產(chǎn)品的競爭力。而鋰離子電池自動檢測化成分容柜,作為電池生產(chǎn)過程
    的頭像 發(fā)表于 09-26 11:27 ?958次閱讀

    物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的常用電池方案_鋰離子電池

    電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器,如移動電話、便攜式計算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等,部分代替了傳統(tǒng)電池。 1.鋰離子電池的由來及發(fā)展 1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化
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    物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)<b class='flag-5'>中</b>的常用<b class='flag-5'>電池</b>方案_<b class='flag-5'>鋰離子電池</b>

    新能源行業(yè)鋰離子電池測試

    的影響至關(guān)重要。鋰離子電池內(nèi)阻和直流電壓是衡量電池性能的關(guān)鍵指標(biāo),因此,電池測試技術(shù)在新能源行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。02鋰離子電池測試要求1.
    的頭像 發(fā)表于 07-21 08:33 ?1005次閱讀
    新能源行業(yè)<b class='flag-5'>鋰離子電池</b>測試

    鋰離子電池冷卻方法及其應(yīng)用分析

    鋰離子電池是通過化學(xué)反應(yīng)的方式提供能量的,所以這個過程會發(fā)生一定的熱量,而熱量如果持續(xù)增加而得不到有效的散熱,就會積累,反過來電化學(xué)物質(zhì)在高溫下活性更強(qiáng),這樣不斷疊加之下,鋰離子電池發(fā)生自燃或爆炸
    的頭像 發(fā)表于 07-16 17:27 ?681次閱讀
    <b class='flag-5'>鋰離子電池</b>冷卻方法及其應(yīng)用分析
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