鋰電池的工作原理

1、鋰電池的工作原理 鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)如圖2.1和圖2.2 所示，一般由正極、負(fù)極和高分子隔膜構(gòu)成。 鋰離子電池的正極材料必須有能夠接納鋰離子的位置和擴(kuò)散路徑，目前應(yīng)用性能較好的正極材料是具有高插入電位的層狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物和鋰的化合物，如LixCoO2，LixNiO2以及尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4等，這些正極材料的插鋰電位都可以達(dá)到4V以上。負(fù)極材料一般用鋰碳層間化合物L(fēng)ixC6，其電解質(zhì)一般采用溶解有鋰鹽LiPF6、LiAsF6的有機(jī)溶液。典型的鋰離子蓄電池體系由碳負(fù)極(焦炭、石墨)、正極氧化鈷鋰(LixCoO2）和有機(jī)電解液三部分組成。鋰離子電池的電化學(xué)表達(dá)式：正極

2、反應(yīng)： 負(fù)極反應(yīng)：電池反應(yīng)：式中：M=Co、Ni、Fe、W等。圖2.1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖 圖2.2 圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖 鋰離子電池實(shí)際上是一個鋰離子濃差電池，正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物構(gòu)。充電時，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，此時負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)；放電時則相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)，負(fù)極處于貧鋰態(tài)。鋰離子電池的工作電壓與構(gòu)成電極的鋰離子嵌入化合物本身及鋰離子的濃度有關(guān)。因此，在充放電循環(huán)時，Li+分別在正負(fù)極上發(fā)生“嵌入-脫嵌”反應(yīng)，Li+便在正負(fù)極之間來回移動，所以，人們又形象地把鋰離子電池稱為“搖椅電池”或“搖擺電池 ”

3、。鋰離子蓄電池是在鋰蓄電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)蓄電池，它基本解決了困擾鋰蓄電池發(fā)展的兩個技術(shù)難題，即安全性差和充放電壽命短的問題。鋰離子電池與鋰電池在原理上的相同之處是：在兩種電池中都采用了一種能使鋰離子嵌入和脫嵌的金屬氧化物或硫化物作為正極，采用一種有機(jī)溶劑無機(jī)鹽體系作為電解質(zhì)。不同之處是：在鋰離子電池中采用使鋰離子嵌入和脫嵌的碳材料代替純鋰作負(fù)極。因此，這種電池的工作原理更加簡單，在電池工作過程中，僅僅是鋰離子從一個電極(脫嵌)后進(jìn)入另一個電極(嵌入)的過程。具體來說，當(dāng)電池充電時鋰離子是從正極中脫嵌，在碳負(fù)極中嵌入，放電時反之。在充放電過程中沒有晶形變化，故具有較好的安全性和較長的充放

4、電壽命。鋰離子電池的主要性能 鋰離子電池的額定電壓為3.6V（少數(shù)的是3.7V）。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)：石墨的4.2V；焦炭的4.1V。充電時要求終止充電電壓的精度在1之內(nèi)。鋰離子電池的終止放電電壓為2.42.7V（電池廠家給出工作電壓范圍或終止放電電壓的參數(shù)略有不同）。高于終止充電電壓及低于終止放電時會對電池有損害。 其使用有一定要求：充電溫度：045；保存溫度：-20+60。鋰離子電池不適合大電流充放電。一般充電電流不大于1C，放電電流不大于2C（C是電池的容量，如C=950mAh，1C的充電率即充電電流為950mA）。 充電、放電在20左右效果較好，在負(fù)溫下不能充電，

5、并且放電效果差4，（在-20放電效果最差，不僅放電電壓低，放電時間比20放電時的一半還少）。鋰離子電池的充放電特性鋰離子電池的標(biāo)稱電壓為3.6V，充滿電壓為4.2V，對過充電和過放電都比較敏感。為了最大限度減少鋰離子電池易受到的過充電、深放電以及短路的損害，單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格限制。其充放電特性如圖2-3鋰離子電池的充電特性 鋰電池在充電中具有如下的特性: 1.在充電前半段，電壓是逐漸上升的; 2.在電壓達(dá)到4.2V后，內(nèi)阻變化，電壓維持不變; 3.整個過程中，電量不斷增加; 4.在接近充滿時，充電電流會達(dá)到很小的值。 經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)找到了較好的充電控制方法: 1.涓流充電達(dá)

6、到放電終止電壓2. 7V ; 2.使用恒流進(jìn)行充電，使電壓基本達(dá)到4.2V。安全電流為小于0.8C; 3.恒流階段基本能達(dá)到電量的80% ; 圖2.3 鋰離子電池充電特性 4.轉(zhuǎn)為恒壓充電，電流逐漸減小; 5.在電流達(dá)到較小的值(如0.05C)時，電池達(dá)到充滿狀態(tài)。 這種CC-CV的充電方式能很好的到達(dá)電池的充滿狀態(tài)，并且不損害電池，已經(jīng)成為鋰離子電池的主要充電方式。但是在電池電壓已經(jīng)很低的情況下，電池內(nèi)部的鋰離子活性減弱，如果此時用比較大的電流充電，也有可能對電池有損害。如同人在劇烈運(yùn)動前要進(jìn)行必要的熱身活動一樣，鋰離子的活性也要逐步激活。可以在電池低壓段采用涓流方式，有效激活電池電壓到2.

7、7V以上，然后采用CC-CV的充電方式，有效的保護(hù)電池。鋰離子電池的放電特性 鋰離子電池在線監(jiān)測過程中，大部分電池參數(shù)是在對鋰離子電池放電過程中得到，因此，對電池放電是電池監(jiān)測中必不可少的環(huán)節(jié)。由于鋰離子電池對過放電十分敏感，深度放電將嚴(yán)重影響鋰離子電池的質(zhì)量。因此，單體鋰離子電池的放電電壓必須得到精確控制。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池在放電終止電壓2.7V的條件下，放電電流越大電池的極化越大，電池的放電容量越小，但電池的靜態(tài)電壓與電池的放電深度的關(guān)系是基本保持不變的狀態(tài)。鋰離子電池以大電流放電(大于2C)的情況下，電池的放電曲線出現(xiàn)了電壓先降低后上升的現(xiàn)象 通常情況下，確定鋰離子電池放電電流大小時，不能用電流的絕對值來衡量，而用額定容量C與放電時間的比來表示，稱作放電速率或放電倍率。對于1700mAh的電池，如果以0.1C的電流放電，則放電電流為170mA。由于鋰離子電池的內(nèi)