鋰離子電池知多少,關于鋰離子電池的這些事你知道嗎?
改變世界的鋰離子電池獲得諾貝爾化學獎是眾望所歸。鋰離子電池現(xiàn)在已經深入到了生活中的方方面面,它讓電子設備更加輕量、續(xù)航更加持久,比如你現(xiàn)在能用手機看到這篇文章就離不開鋰離子電池。
說到鋰離子電池,現(xiàn)在我們的生活已然離不開它,相信大家對于它的原理、歷史之類的都比較熟悉了,今天咱們劍走偏鋒,來給大家聊一聊鋰離子電池鮮為人知的一面。
鋰電池?鋰離子電池?聚合物鋰電池?
可能有些朋友已經注意到了,前面我們說的一直都是“鋰離子電池”,但平時大家應該有聽到過鋰電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池等各種各樣的名詞,并且被這些名詞搞的七葷八素的。加下來咱們就來捋一捋。
其實鋰電池的概念很混亂,沒有一個很統(tǒng)一的說法,姑且看一下國標(其實是推薦性國家標準)里面是怎么說的吧?!峨姽ばg語原電池和蓄電池》(GB/T 2900.41-2008)中把鋰電池定義為“含非水電解質,負極為鋰或含鋰的電池”,可以是原電池也可以是蓄電池。這個范圍就很寬泛,只要負極含鋰,電解質是非水的就行。平時更多的是把負極是金屬鋰的一次電池叫做鋰電池,也叫鋰原電池,這類電池是不能充電的,代表性的有鋰-二氧化錳電池、鋰-氟化碳電池、鋰-亞硫酰氯電池。
"鋰離子電池則是為了與鋰電池相區(qū)別而發(fā)明出來的一個詞語。"前Sony高級執(zhí)行副總裁兼首席技術官西美緒(Yoshio Nishi)解釋說,負極的鋰碳化合物中的“鋰”是以離子的形式存在的,而正極的LiCoO2是離子化合物,鋰也是以離子形式存在的,電池中沒有金屬鋰的存在,因此叫做“鋰離子電池”,得了諾獎的就是它。顯然,鋰離子電池是可充電電池。
滿電態(tài)的負極,金色的是LiC6,鋰并沒有以金屬單質的形式存在,將鋰離子電池充好電后拆解,圖中是在手套箱中操作,千萬別自己拆解充好電的鋰離子電池,LiC6在空氣中會自燃,也最好別自己更換手機電池,有可能操作不當把電池劃破了,搞不好會起火爆炸。
所以當你以后聽到有人說鋰電池得了諾獎,或者說手機上用的是鋰電池的時候,你大可以禮貌而不失微笑地指出:那不是鋰電池,是鋰離子電池( lithium-ion batteries)。裝B之后飄然而去,深藏功與名!
至于鋰聚合物電池,其實就是鋰離子電池,也叫聚合物鋰離子電池。和傳統(tǒng)的鋰離子電池相比,不一樣的地方在于它的外殼是鋁塑膜,然后就沒啥大的差別了。換個殼就可以改個高大上的名字,真讓人頭疼。所謂鋁塑膜,就是兩層聚丙烯之間夾著一層鋁箔,鋁箔是用來防止空氣中的水透過聚丙烯進入電池內部的,用鋁塑膜做外殼的好處就是可以減輕電池的重量。
還有種“凝膠聚合物鋰離子電池”,它用的電解質比較特殊,像一般的鋰離子電池用的電解液是液態(tài)的,而它用的是凝膠態(tài)的,emmm,從吃貨的角度來說,就和果凍一樣的。
鋰離子電池的容量與能量
現(xiàn)在的手機屏幕是越做越大,相應的耗電量也增加了。所以,在不影響外觀的情況下,手機電池的容量也就成了一個很重要的選購指標,畢竟誰也不想用著手機的同時還拖著長長的充電線吧。
我們知道一般鋰電池廠家衡量手機電池容量的單位是mAh,高中知識告訴我們,這是電量的單位,還需要乘上個電壓才是能量的單位。
電池容量計算方法:
電池能量計算方法:
等等,手機消耗的明明是能量,怎么用個電量的單位來衡量它?!這其實是因為在手機這類便攜式電子設備中,為了減小電池的體積,鋰離子電池的正極使用的都是鈷酸鋰,這種正極材料具有很高的壓實密度。正因為手機電池的正極用的都是同一種材料,所以電池的電壓都比較接近(理論上是3.7V,這個具體和不同電池生產商的工藝有關),再加上手機里面往往只有一塊單體電池,只用容量其實就可以衡量電池儲存能量的大小。
但是電腦上的電池卻會同時標注電池的容量(電量)和能量。這是因為,電腦中不只有一塊單體電池啊,里面有很多塊電池串并聯(lián),形成了電池組,就不能用電池的容量來衡量了。高中知識告訴我們:同一型號的電池,電池并聯(lián)后,電池組的電壓不變,但會增加電池組的容量;電池串聯(lián),電池組的容量不變,但是會增加電池組的電壓。
電池串聯(lián) | 來源:batteryuniversity.com
所以,衡量電池的續(xù)航能力,還是看能量比較靠譜,自己動手算一算。
鋰離子電池使用指北
曾經聽有人說過,剛買回來的手機前幾次使用的時候,要先充滿電,再把電量耗盡,反復幾次,說是此法才能將電池激活,電池的壽命會更長。
當聽到這個說法的時候,我頓時就在風中凌亂了。這哪是讓鋰離子電池電池長壽,分明是讓鋰離子電池短命啊。如果把時間倒退個二十年,這個說法是沒有很大問題的。因為那時使用的還是鎳氫電池,它有所謂的“記憶效應”,就是電池放久了之后鎳極板上的晶體會變得粗大,影響和電解液的接觸,導致容量下降。進行幾次完全的充放電能讓晶粒細化,讓容量部分恢復,這就是所謂的“激活”。
鎳氫電池 | 來源:Wikipedia
而現(xiàn)在手機早已經用上了鋰離子電池。前面已經說了,鋰離子電池是基于鋰離子在插層化合物中嵌入脫出,并不存在著什么“記憶效應”。所以剛買來的手機,直接使用用就行,并且可以隨用隨充,不需要特定某一階段充電。
又有人問,鋰離子電池的循環(huán)壽命只有500次左右,那么要怎樣才能讓鋰離子電池壽命延長?
鋰離子電池的循環(huán)壽命一般是定義為:鋰離子電池進行深度充放電時,其容量能保持在80%以上的循環(huán)次數(shù)。從這兒可以看出兩個關鍵詞:深度充放電和80%。深度充放電容易破壞鋰離子電池中的微觀結構,使得容量降低。但是我們的手機有保護機制,是沒法對電池進行深度充放電的,那得要用電池廠的專門設備才行;其次,鋰離子電池的容量在80%以下并不是說它不能用,只是會讓用戶覺得電池不耐用了。
如果鋰離子電池在工廠測試時的壽命有500次,那么我們平時使用的壽命肯定是要大于500次的。因為我們平時正常使用做不到對電池深度充放電,電池容量衰減沒那么厲害。至于如何讓鋰離子電池更長壽,我們所能做的就是別對電池深度充放電,也就是要對鋰離子電池淺充淺放:沒充滿電就用,沒放完電就充。但這樣子做實在是影響玩手機的樂趣啊,所以有個更折衷的方案:手機充滿電后再使用,還剩20%的電的時候就充電,別等到手機自動關機了才去充電。為啥是20%?不知道大家有沒有這樣的經歷,在我們玩游戲正在團戰(zhàn)的時候,突然跳出電量低于20%,遇到這種情況本人是十分崩潰的,那么遇到這種情況基本上玩家也就“死”了,還不趕緊去給手機充電。
手機電量恐懼癥
其實在大多數(shù)時候,我們使用手機的那些不良習慣工程師們早就考慮到了,大可不用自己瞎操心,正常使用就好。手機電池正常使用兩三年還是扛得住的,兩三年到了,手機其實也差不多該換了。
參考資料
[1] https://cen.acs.org/people/nobel-prize/Who-will-win-the-2019-Nobel-Prize-in-Chemistry/97/web/2019/10
[2] Nishi Y. The development of lithium ion secondary batteries[J]. Chemical Record, 2001, 1(1): 406-413.
[3] https://batteryuniversity.com/index.php/learn/archive/memory_myth_or_fact
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