锂电课堂|锂离子电池知识和锂离子电池的应用

来源:锂离子电池厂家 作者:admin  发布时间:2020-05-12 16:53:15  阅读数:

  小葵花妈妈课堂开课啦!你知道锂离子电池有哪些知识吗?锂离子电池的应用领域有哪些?本文诺信锂电池厂家全面收录整理了锂离子电池的知识和应用,希望对锂电朋友们有所帮助。

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锂离子电池简介

  其实锂电池早期是由爱迪生发明的一种由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池,其工作原理为一种Li+MnO2=LiMnO2的氧化还原反应。

锂离子电池

  锂离子电池(Lithium Ion Battery)是一种类型的二次可再充电电池,它的工作原理与锂电池相同。锂离子电池通常用于便携式电子产品和电动汽车,且在军事以及航空航天应用中越来越受欢迎。

  在电池中,锂离子从负极移动电极通过电解质放电期间正电极,和背充电时。锂离子电池使用嵌入的锂化合物作为正极的材料,通常使用石墨作为负极的材料。电池具有高能量密度,无记忆效应和低自放电。但是,由于它们包含易燃的电解质,因此可能存在安全隐患,并且如果损坏或充电不正确,可能会导致爆炸和火灾。

锂离子电池发展阶段

  1. 1970年埃克森的M.S.WhitTIngham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。

  2. 1980年,J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

  3. 1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois InsTItute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,此过程是快速可逆的。与此同时,采用金属锂制成的锂电池,其安全隐患备受关注,因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

  4. 1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

  5. 1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

  6. 1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

  7. 1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸锂铁(LiFePO4),比传统的正极材料更具优越性,因此已成为当前主流的正极材料。

各类锂离子电池

锂离子电池分类

  1.按照外形区分:可分为方型锂离子电池(如手机电池)和圆柱形锂离子电池(如18650);

  2.按外包装材料区分:可分为铝壳锂离子电池,钢壳锂离子电池,软包电池;

  3.按照正极材料区分:可分为沽酸锂(LiCoO2)电池或锰酸锂(LiMn2O4),磷酸铁锂电池,一次性二氧化锰锂电池;

  另一类可分为:锂离子电池(LIB),聚合物锂离子电池(PLB);

  4.按照不同的性能用途:

  一次性电池:锂锰电池--扣式3伏电池;

  高容量电池:用在手机数码产品上;

  高倍率电池:用在电动车和电动工具上及飞机模型;

  高温锂电池:矿灯,室上灯饰,机器内置后备电源;

  低温锂电池:室外环境,北方(冬天),南极;

锂离子电池结构

  锂离子电池的结构主要分为五大模块:正极、负极、电解液、隔膜、外壳与电极引线。

锂离子电池结构

  锂离子电池有卷绕式和层叠式两大类,液态锂离子电池采用卷绕结构,聚合物锂离子电池则两种都有。卷绕式以典型的”瑞士卷“方式制成,将正极膜片、隔膜、负极膜片依次放好,卷绕成圆柱形或扁柱形,主要以SANYO、TOSHIBA、SONY、ATL为代表。层叠式则将正极-隔膜-负极-隔膜、正极-隔膜-负极-隔膜…这样的方式多层堆叠。将所有正极焊接在一起引出,负极焊成一起引出。

锂离子电池电化学

  锂离子电池中电化学反应中的反应物是正极和负极的材料,两者都是含有锂原子的化合物。在放电过程中,正极上的氧化反应产生带正电的锂离子和带负电的电子,以及残留在正极上的不带电物质。锂离子通过电解质传输,电子通过外部电路传输后,它们在还原反应中与负极材料一起在负极复合。

  电解质和外部电路分别为锂离子和电子提供导电介质,但不参与电化学反应。随着电子在放电过程中流向负极,电池那一侧的电极就是正电极。能量从电池到哪里的电流耗散其能量,通常是在外部电路。在充电过程中,这些反应和运输方向相反。随着电子现在从正极移动到负极(在充电和放电期间正极和负极改变位置),外部电路必须提供电能以进行充电,然后将该能量存储为细胞中的化学能。

  两个电极都允许锂离子分别通过嵌入或提取的过程进出其结构,当锂离子在两个电极之间来回“摇摆”时,这些电池也称为“摇椅电池”或“摇摆电池”。

  放电过程中,锂离子从负电极移动(通常是石墨=“C6"),当电池正在充电时,锂离子和锂离子会发生相反的变化,如下所述:通过电解质到达电解质的正极(负极)(形成锂化合物),而电子则沿相同方向流过外部电路。电子以较高的净能态返回负极,以下方程式说明了化学反应。

  掺杂锂的氧化钴衬底中的正极(负极)半反应为

  石墨的负极(正极)半反应为

  全部反应(从左到右:放电,从右到左:充电)

  总体反应有其局限性。过放电锂钴氧化物,导致产生的氧化锂,通过下面的不可逆反应可能:

  X射线衍射证明,高达5.2伏的过充电会导致氧化钴(IV)的合成:

锂离子电池寿命

  锂离子电池的寿命通常定义为在容量损失或阻抗上升方面达到故障阈值的整个充放电循环数。厂商的数据表通常使用“循环寿命”一词来指定达到电池额定容量80%的循环次数的寿命。这些电池的闲置存储也会降低其容量,日历寿命用于表示电池的整个生命周期,包括循环和非活动存储操作。

  锂离子电池循环寿命受许多不同的应力因素影响,包括温度,放电电流,充电电流和充电状态范围(放电深度)。在智能手机,笔记本电脑和电动汽车等实际应用中,电池无法完全充电和放电,因此通过完全放电循环来定义电池寿命可能会产生误导。

  为避免这种混淆,研究人员有时会使用累积放电,该累积放电定义为电池在整个寿命或等效的整个循环中所产生的总电荷(Ah)。它代表了部分循环的总和,即整个充放电循环的分数。储存期间的电池退化会受到温度和电池充电状态(SOC)的影响,充满电(100%SOC)和高温(通常> 50°C)的组合会导致容量急剧下降和产生气体。

  将电池的累积放电(以Ah为单位)乘以额定的标称电压即可得出在电池使用寿命内传递的总能量。由此可以计算出每千瓦时能源的成本(包括充电成本)。

锂离子电池工作原理

1.充电时

  在电场的驱动下锂离子从正极晶格中脱出,经过电解质,嵌入到负极晶格中。

  充电开始时,先检测待充电电池的电压,如果电压低于3V,要先进行预充电,充电电流为设定电流的1/10,一般选0.05C左右。电压升到3V后,进入标准充电过程。标准充电过程为:以设定电流进行恒流充电,电池电压升到4.20V时,改为恒压充电,保持充电电压为4.20V。此时,充电电流逐渐下降,当电流下降至设定充电电流的1/10时,充电结束。

  一般锂离子电池充电电流设定在0.2C至1C之间,电流越大,充电越快,同时电池发热也越大。而且,过大的电流充电,容量不够满,因为电池内部的电化学反应需要时间。

  术语解释:充放电电流一般用“C”作参照,C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、mAh表示,如M8的电池容量1200mAh,对应的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

  下面是锂离子电池典型充电曲线图:

锂离子电池充电曲线图

2.放电时

  过程正好相反锂离子返回正极,电子通过用电器由外电路到达正极与锂离子复合。

  从典型放电曲线图上可以看出,电池放电电流越大,放电容量越小,电压下降更快。

锂离子电池放电曲线图

锂离子电池的应用

一、交通工具动力源

  1.电动自行车

  2.电动摩托车

  3.电动汽车(混合动力与纯动力)

  4.电动大巴车(纯电动和混合动力)

  5.电动特种车(电动高尔夫车,电动旅游观光车,电动工程车,电动扫地机,电动叉车,警用巡逻车,电动平衡车等)

二、电力储能电源

  1.太阳能/风能电力储能系统

  2.电网调峰电源

  3.电力专用不间断电源系统

  4.一体化电源系统

  5.光伏离网并网储能电站系统

三、移动通信电源

  1.宏基站一体化锂电池电源

  2.户外一体化基站锂电池电源

  3.边际网基站锂电池电源

  4.非物理站点锂电池备电

  5.FTTX的多种锂电池备电

  6.通信机楼336V HVDC数据中心备电

  7.可再生能源(铁锂电池+光伏+…)基站电源

  8.IDC机楼的铁锂电池储能电站

太阳能

四、新能源储能动力电源

  1.太阳能路灯、草坪灯、矿灯、应急灯、庭院灯、高杆灯

  2.起动电源(汽车、摩托车、铁路内燃机车、电力机车、客车起动等的电源)

  3.电动工具(电钻,碾磨器,电动螺母等)

  4.电动玩具

  5.电动割草机,电动捕鱼器等

  6.电动模型、航模

  7.电动机器人

五、航天军工电源

  1.大型舰船类动力电源(航线、战船、大型邮轮、货轮等)

  2.航空飞行器所用动力电源(大型民航客机、商务飞机、直升机、战斗机等飞行器具所用动力电源)

  3.航天载具动力电源系统(航天飞机、卫星、火箭、导弹等)

  4.军用装甲,民用大型挖掘器械所用动力电源(坦克、装甲车、民用大型挖掘器械、大型吊车等)

锂离子电池运输管理

  国际航空运输协会预估,每年运输飞行的锂电池超过十亿个。

航空运输

  可携带的每个电池的最大尺寸(无论是安装在设备中还是备用电池)的等效锂含量(ELC)不得超过每个电池8克。除非仅携带一个或两个电池,否则每个电池的ELC最高可达25g。通过将每个电池的安培小时容量乘以0.3,然后将结果乘以电池中的电池数量,可以找到任何电池的ELC。

  计算出的锂含量不是实际的锂含量,而是仅出于运输目的的理论值。但是,在运输锂离子电池时,如果电池中锂的总含量超过1.5克,则必须将包装上标记为“第9类其他有害物质”。

  尽管装有锂离子电池的设备可以用托运行李运输,但备用电池只能用随身行李运输。必须防止它们短路,在运输法规中提供了有关安全包装和运输的示例性提示;例如,此类电池应装在其原始的保护包装中,或“通过敲击裸露的端子或将每个电池放在单独的塑料袋或保护袋中”。

  这些限制不适用于作为轮椅或行动辅助工具一部分的锂离子电池(包括任何备用电池),而这套规则和规定适用于该电池。

  一些邮政管理部门限制单独运输或安装在设备中的锂和锂离子电池的航空运输(包括EMS)。此类限制适用于香港,澳大利亚和日本。其他邮政管理部门,例如英国的皇家邮政,可以允许有限地运输可操作的电池或电池,但完全禁止处理已知的有缺陷的电池或电池,这对于那些发现有缺陷的通过邮件购买的此类物品的人可能很重要。

  2012年5月16日,在运输电池起火后,美国邮政服务局(USPS)禁止将任何装有锂电池的物品运往海外地址。由于美国邮政局是运送到这些地址的唯一方法,因此这一限制使得很难将任何含锂电池的东西发送给海外军事人员;该禁令于2012年11月15日解除。美国联合航空和达美航空在2015年FAA关于连锁反应的报告后,排除了锂离子电池。

  从2018年1月15日开始,美国几家主要航空公司禁止使用不可拆卸电池的智能行李箱托运,以免发生火灾。禁令生效后,一些航空公司继续错误地阻止旅客携带智能行李作为随身行李。

  由于该禁令,几家智能行李箱公司被迫关闭。

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