锂离子电池为什么应用广泛?取决于这些锂离子电池优点

来源:锂离子电池厂家   2020-06-30  阅读数:

  锂离子电池应用领域非常广泛,小到便捷式数码产品,智能工具;大到电动自行车,电动汽车,以及医疗设备,军工/航天等领域,都有锂离子电池的一席之地。

锂离子电池应用

  为什么锂离子电池会如此受到欢迎?它有哪些优点呢?一起来看看吧。

  锂离子电池(Lithium-ion battery)是一种二次可充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂电池容量单位是“mAh”,比如1000mAh,表示的是1000mA的供电电流可以用1小时。500mA供电能用2小时。依此类推。我们先来看一下锂离子电池的发展史:

  ·1970年代,锂离子电池由斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)提出。他采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂离子电池,但是电池使用金属锂会存在燃烧爆炸的隐患。

  ·1980年,约翰·古迪纳夫(John Goodenough)、水岛公一等人在英国牛津大学发现锂离子电池的正极材质钴酸锂(LiCoO2)。

  ·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,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。

  ·1983年M.Thackeray、约翰·古迪纳夫等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,锰尖晶石具有低价、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,也能够避免燃烧、爆炸的危险。虽然纯锰尖晶石随充放电循环会变衰弱,但是可以通过材料的化学改性克服。截至2013年锰尖晶石用于商业电池。

  ·1985年,日本旭化成的吉野彰运用钴酸锂开发电池阴极,彻底消除金属锂,完成了首次可商业化的含锂碱性锂离子电池。

  ·1989年,A.Manthiram和古迪纳夫发现采用聚电解质的正极将产生更高的电压,原因是聚电解质的电磁感应效应。

  ·1991年Sony成功开发并商用锂离子电池,它的商用,使人们的移动电话、笔记本电脑等便捷式电子设备重量和体积大大减小,使用时间大大延长。

锂离子电池

其实,在我们日常的生活中,常常会将锂离子电池与以下两种电池混淆:

  ①锂电池(Lithium battery),我们常常将锂离子电池简称为锂电池,其实从严格意义上讲,锂电池指的是锂原电池,内含纯态的锂金属,是不可充电的一次性电池(遥控器、钟表等电池)。

  ②锂聚合物电池(Lithium-ion polymer batteries),利用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂的可充电锂离子电池,其安全性较好不会爆炸,且可以塑造各种不同形状的电芯,是现在的主流形式电池(手机、平板等数码设备电池)。

锂离子电池优点如下:

1.实用性

  相较于铅酸电池的制造方法,锂离子电池故障率要低得多。使用寿命更长,维护要求更低,UPS电源采用锂离子电池很少发生故障。

  此外,锂离子电池通常比铅酸电池具有更长的循环寿命。例如,铅酸蓄电池通常可以提供200次放电循环,这意味着可以将电池的容量耗尽至其额定值的50%,然后其重新充电至100%,可以达到200次循环。但在更换电池之前,锂电池可以提供500-7000次放电循环(这取决于所使用的化学物质)。另外,锂离子电池具有较低的自放电率,在不使用时自身放电缓慢,具有更长的保存时间。

2.重量轻

  锂离子电池比铅酸蓄电池重约三分之一。这样可以节省数据中心建设成本,因为不需要加固地板来承受更多的重量。它还节省了运输成本,因为与铅酸蓄电池相比,能够以同样的成本运输更多的锂离子电池。

3.体积小

  锂离子电池柜的尺寸通常是铅酸电池柜的一半,达到相同的容量可节省50%的占地面积。这使组织可以重新规划设计数据中心,以增加IT系统的可用空间。此外,可以节省新数据中心的建设成本,容纳用于储能的锂离子电池机柜的空间可以更小。

4.能量密度高

  锂离子电池具有更高的能量密度(Wh/kg,或每千克瓦特小时)和功率密度(W/kg,或每千克瓦特),按质量计算,可达150~200Wh/kg(540~720kJ/kg);按体积计算,可达250~530Wh/L(0.9~1.9kJ/cm3)。

5.工作温度高

  锂离子电池可以在30°C(86°F)的温度下工作,比铅酸蓄电池高出近10°C。这使组织可以提高数据中心的室温,从而节省用于冷却的电能,降低冷却成本,节省总体拥有成本(TCO)。此外,锂离子电池对温度变化不太敏感,过高的温度明显不会缩短电池的使用寿命。

6.减少维护

  锂离子电池配有内置电池管理系统(BMS),可提供自动状态、故障监控、电池平衡、电源优化和外部通信等监测和维护功能。电池管理系统(BMS)使数据中心设施工程师能够更轻松地监控电池的运行时间和健康状况,降低人工和维护成本,并显著降低电池组故障的风险。

7.充电快速

  锂离子电池在大约两小时内完全充电,而铅酸电池在大约24小时内完全充电。更快的充电时间意味着锂离子电池能够更好地处理多个电力中断情况。(例如,如果在24小时内有多次断电,锂离子电池可以更快地充电,为每次断电提供完整后备供电时间。)

8.环境优势

  锂离子电池的碳足迹为铅酸电池的三分之一,并且更具有环保性。

锂离子电池

锂离子电池缺点:

  1.生产成本较高。主要表现在正极材料 LiCoO2 的价格高;(Co 的资源较少),电解质体系提纯困难。

  2.锂离子电池不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因,电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度,一般放电电流在 0.5C 以下,只适合于中小电流的电器使用。

  3.需要保护线路控制。

  a.过充保护:电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命;同时过充电使电解液分解,内部压力过高而导致漏液等问题;故必须在 4.1V - 4.2V 的恒压下充电;

  b.过放保护:过放会导致锂离子电池活性物质的恢复困难,故也需要有保护线路控制。

锂离子电池组成:

  1.正极材料:可选的正极材料有很多,目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照:

正极材料 平均输出电压 能量密度
LiCoO2 3.7 V 140 mAh/g
Li2Mn2O4 3.7 V 100 mAh/g
LiFePO4 3.3 V 100 mAh/g
Li2FePO4F 3.6 V 115 mAh/g

  正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。

  充电时:LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe

  放电时:Li1-xFePO4 + xLi+ + xe → LiFePO4

  2.负极材料:多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

  负极反应:放电时锂离子脱插,充电时锂离子插入。

  充电时:xLi+ + xe + 6C → LixC6

  放电时:LixC6 → xLi+ + xe + 6C

  3.电解质溶液:常采用锂盐,如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。

  溶剂:电池的工作电压远高于水的分解电压,因此锂离子电池常采用有机溶剂,如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构,导致其剥脱,并在其表面形成固体电解质膜(solid electrolyte interphase,SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

  在冰箱中放置寿命缩短的电池时,性能会恢复吗?

冰箱

  这个其实没有科学依据。日常生活中使用的电池是化学电池,建议在使用时在10到60度的环境中使用,在存放时使用低温。即使电池放电,内部仍会留有少量能量。即使设备最初不起作用,剩余的能量也可以平衡并使用一些量。这就是为什么当汽车电池耗尽并启动时,需要一段时间才能再次等待。如果将电池放在冰箱中,则自放电电阻在达到平衡时降低,并且可以获得更多的能量。

  当二次电池长时间不使用时,也可以在充满电并密封后将其存放在冰箱中。可以减少自放电并且可以防止电解质的干燥。然而,冷冻状态不会影响这种变化,并且它可以冻结电池中的电解质并使性能变差。

  看了以上文章,大家也应该了解了锂离子电池为什么如此受到欢迎的真正原因,相对于其他电池,锂离子电池优点也很明显,这也是其应用广泛的原因。

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