鋰電課堂|鋰離子電池知識和鋰離子電池的應(yīng)用

　　小葵花媽媽課堂開課啦！你知道鋰離子電池有哪些知識嗎？鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？本文諾信鋰電池廠家全面收錄整理了鋰離子電池的知識和應(yīng)用，希望對鋰電朋友們有所幫助。

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鋰離子電池簡介

　　其實鋰電池早期是由愛迪生發(fā)明的一種由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池，其工作原理為一種Li+MnO2=LiMnO2的氧化還原反應(yīng)。

　　鋰離子電池（Lithium Ion Battery）是一種類型的二次可再充電電池，它的工作原理與鋰電池相同。鋰離子電池通常用于便攜式電子產(chǎn)品和電動汽車，且在軍事以及航空航天應(yīng)用中越來越受歡迎。

　　在電池中，鋰離子從負(fù)極移動電極通過電解質(zhì)放電期間正電極，和背充電時。鋰離子電池使用嵌入的鋰化合物作為正極的材料，通常使用石墨作為負(fù)極的材料。電池具有高能量密度，無記憶效應(yīng)和低自放電。但是，由于它們包含易燃的電解質(zhì)，因此可能存在安全隱患，并且如果損壞或充電不正確，可能會導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)。

鋰離子電池發(fā)展階段

　　1. 1970年埃克森的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。

　　2. 1980年，J. Goodenough 發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。

　　3. 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，此過程是快速可逆的。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。

　　4. 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。

　　5. 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。

　　6. 1991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。

　　7. 1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵（LiFePO4），比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。

鋰離子電池分類

　　1.按照外形區(qū)分：可分為方型鋰離子電池（如手機電池）和圓柱形鋰離子電池（如18650）；

　　2.按外包裝材料區(qū)分：可分為鋁殼鋰離子電池，鋼殼鋰離子電池，軟包電池；

　　3.按照正極材料區(qū)分：可分為沽酸鋰（LiCoO2）電池或錳酸鋰（LiMn2O4），磷酸鐵鋰電池，一次性二氧化錳鋰電池；

　　另一類可分為：鋰離子電池（LIB），聚合物鋰離子電池（PLB）；

　　4.按照不同的性能用途：

　　一次性電池：鋰錳電池－－扣式3伏電池；

　　高容量電池：用在手機數(shù)碼產(chǎn)品上；

　　高倍率電池：用在電動車和電動工具上及飛機模型；

　　高溫鋰電池：礦燈，室上燈飾，機器內(nèi)置后備電源；

　　低溫鋰電池：室外環(huán)境，北方（冬天），南極；

鋰離子電池結(jié)構(gòu)

　　鋰離子電池的結(jié)構(gòu)主要分為五大模塊：正極、負(fù)極、電解液、隔膜、外殼與電極引線。

　　鋰離子電池有卷繞式和層疊式兩大類，液態(tài)鋰離子電池采用卷繞結(jié)構(gòu)，聚合物鋰離子電池則兩種都有。卷繞式以典型的”瑞士卷“方式制成，將正極膜片、隔膜、負(fù)極膜片依次放好，卷繞成圓柱形或扁柱形，主要以SANYO、TOSHIBA、SONY、ATL為代表。層疊式則將正極-隔膜-負(fù)極-隔膜、正極-隔膜-負(fù)極-隔膜…這樣的方式多層堆疊。將所有正極焊接在一起引出，負(fù)極焊成一起引出。

鋰離子電池電化學(xué)

　　鋰離子電池中電化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物是正極和負(fù)極的材料，兩者都是含有鋰原子的化合物。在放電過程中，正極上的氧化反應(yīng)產(chǎn)生帶正電的鋰離子和帶負(fù)電的電子，以及殘留在正極上的不帶電物質(zhì)。鋰離子通過電解質(zhì)傳輸，電子通過外部電路傳輸后，它們在還原反應(yīng)中與負(fù)極材料一起在負(fù)極復(fù)合。

　　電解質(zhì)和外部電路分別為鋰離子和電子提供導(dǎo)電介質(zhì)，但不參與電化學(xué)反應(yīng)。隨著電子在放電過程中流向負(fù)極，電池那一側(cè)的電極就是正電極。能量從電池到哪里的電流耗散其能量，通常是在外部電路。在充電過程中，這些反應(yīng)和運輸方向相反。隨著電子現(xiàn)在從正極移動到負(fù)極（在充電和放電期間正極和負(fù)極改變位置），外部電路必須提供電能以進(jìn)行充電，然后將該能量存儲為細(xì)胞中的化學(xué)能。

　　兩個電極都允許鋰離子分別通過嵌入或提取的過程進(jìn)出其結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋰離子在兩個電極之間來回“搖擺”時，這些電池也稱為“搖椅電池”或“搖擺電池”。

　　放電過程中，鋰離子從負(fù)電極移動（通常是石墨=“C6"），當(dāng)電池正在充電時，鋰離子和鋰離子會發(fā)生相反的變化，如下所述：通過電解質(zhì)到達(dá)電解質(zhì)的正極（負(fù)極）（形成鋰化合物），而電子則沿相同方向流過外部電路。電子以較高的凈能態(tài)返回負(fù)極，以下方程式說明了化學(xué)反應(yīng)。

　　摻雜鋰的氧化鈷襯底中的正極（負(fù)極）半反應(yīng)為

　　石墨的負(fù)極（正極）半反應(yīng)為

　　全部反應(yīng)（從左到右：放電，從右到左：充電）

　　總體反應(yīng)有其局限性。過放電鋰鈷氧化物，導(dǎo)致產(chǎn)生的氧化鋰，通過下面的不可逆反應(yīng)可能：

　　X射線衍射證明，高達(dá)5.2伏的過充電會導(dǎo)致氧化鈷（IV）的合成：

鋰離子電池壽命

　　鋰離子電池的壽命通常定義為在容量損失或阻抗上升方面達(dá)到故障閾值的整個充放電循環(huán)數(shù)。廠商的數(shù)據(jù)表通常使用“循環(huán)壽命”一詞來指定達(dá)到電池額定容量80％的循環(huán)次數(shù)的壽命。這些電池的閑置存儲也會降低其容量，日歷壽命用于表示電池的整個生命周期，包括循環(huán)和非活動存儲操作。

　　鋰離子電池循環(huán)壽命受許多不同的應(yīng)力因素影響，包括溫度，放電電流，充電電流和充電狀態(tài)范圍（放電深度）。在智能手機，筆記本電腦和電動汽車等實際應(yīng)用中，電池?zé)o法完全充電和放電，因此通過完全放電循環(huán)來定義電池壽命可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。

　　為避免這種混淆，研究人員有時會使用累積放電，該累積放電定義為電池在整個壽命或等效的整個循環(huán)中所產(chǎn)生的總電荷（Ah）。它代表了部分循環(huán)的總和，即整個充放電循環(huán)的分?jǐn)?shù)。儲存期間的電池退化會受到溫度和電池充電狀態(tài)（SOC）的影響，充滿電（100％SOC）和高溫（通常> 50°C）的組合會導(dǎo)致容量急劇下降和產(chǎn)生氣體。

　　將電池的累積放電（以Ah為單位）乘以額定的標(biāo)稱電壓即可得出在電池使用壽命內(nèi)傳遞的總能量。由此可以計算出每千瓦時能源的成本（包括充電成本）。

鋰離子電池工作原理

1.充電時

　　在電場的驅(qū)動下鋰離子從正極晶格中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)，嵌入到負(fù)極晶格中。

　　充電開始時，先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定電流的1/10，一般選0.05C左右。電壓升到3V后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過程。標(biāo)準(zhǔn)充電過程為：以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20V時，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.20V。此時，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時，充電結(jié)束。

　　一般鋰離子電池充電電流設(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。

　　術(shù)語解釋：充放電電流一般用“C”作參照，C是對應(yīng)電池容量的數(shù)值。電池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的電池容量1200mAh，對應(yīng)的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

　　下面是鋰離子電池典型充電曲線圖：

2.放電時

　　過程正好相反鋰離子返回正極，電子通過用電器由外電路到達(dá)正極與鋰離子復(fù)合。

　　從典型放電曲線圖上可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。

鋰離子電池的應(yīng)用

一、交通工具動力源

　　1.電動自行車

　　2.電動摩托車

　　3.電動汽車（混合動力與純動力）

　　4.電動大巴車（純電動和混合動力）

　　5.電動特種車（電動高爾夫車，電動旅游觀光車，電動工程車，電動掃地機，電動叉車，警用巡邏車，電動平衡車等）

二、電力儲能電源

　　1.太陽能/風(fēng)能電力儲能系統(tǒng)

　　2.電網(wǎng)調(diào)峰電源

　　3.電力專用不間斷電源系統(tǒng)

　　4.一體化電源系統(tǒng)

　　5.光伏離網(wǎng)并網(wǎng)儲能電站系統(tǒng)

三、移動通信電源

　　1.宏基站一體化鋰電池電源

　　2.戶外一體化基站鋰電池電源

　　3.邊際網(wǎng)基站鋰電池電源

　　4.非物理站點鋰電池備電

　　5.FTTX的多種鋰電池備電

　　6.通信機樓336V HVDC數(shù)據(jù)中心備電

　　7.可再生能源（鐵鋰電池+光伏+…）基站電源

　　8.IDC機樓的鐵鋰電池儲能電站

四、新能源儲能動力電源

　　1.太陽能路燈、草坪燈、礦燈、應(yīng)急燈、庭院燈、高桿燈

　　2.起動電源（汽車、摩托車、鐵路內(nèi)燃機車、電力機車、客車起動等的電源）

　　3.電動工具（電鉆，碾磨器，電動螺母等）

　　4.電動玩具

　　5.電動割草機，電動捕魚器等

　　6.電動模型、航模

　　7.電動機器人

五、航天軍工電源

　　1.大型艦船類動力電源（航線、戰(zhàn)船、大型郵輪、貨輪等）

　　2.航空飛行器所用動力電源（大型民航客機、商務(wù)飛機、直升機、戰(zhàn)斗機等飛行器具所用動力電源）

　　3.航天載具動力電源系統(tǒng)（航天飛機、衛(wèi)星、火箭、導(dǎo)彈等）

　　4.軍用裝甲，民用大型挖掘器械所用動力電源（坦克、裝甲車、民用大型挖掘器械、大型吊車等）

鋰離子電池運輸管理

　　國際航空運輸協(xié)會預(yù)估，每年運輸飛行的鋰電池超過十億個。

　　可攜帶的每個電池的最大尺寸（無論是安裝在設(shè)備中還是備用電池）的等效鋰含量（ELC）不得超過每個電池8克。除非僅攜帶一個或兩個電池，否則每個電池的ELC最高可達(dá)25g。通過將每個電池的安培小時容量乘以0.3，然后將結(jié)果乘以電池中的電池數(shù)量，可以找到任何電池的ELC。

　　計算出的鋰含量不是實際的鋰含量，而是僅出于運輸目的的理論值。但是，在運輸鋰離子電池時，如果電池中鋰的總含量超過1.5克，則必須將包裝上標(biāo)記為“第9類其他有害物質(zhì)”。

　　盡管裝有鋰離子電池的設(shè)備可以用托運行李運輸，但備用電池只能用隨身行李運輸。必須防止它們短路，在運輸法規(guī)中提供了有關(guān)安全包裝和運輸?shù)氖纠蕴崾?；例如，此類電池?yīng)裝在其原始的保護包裝中，或“通過敲擊裸露的端子或?qū)⒚總€電池放在單獨的塑料袋或保護袋中”。

　　這些限制不適用于作為輪椅或行動輔助工具一部分的鋰離子電池（包括任何備用電池），而這套規(guī)則和規(guī)定適用于該電池。

　　一些郵政管理部門限制單獨運輸或安裝在設(shè)備中的鋰和鋰離子電池的航空運輸（包括EMS）。此類限制適用于香港，澳大利亞和日本。其他郵政管理部門，例如英國的皇家郵政，可以允許有限地運輸可操作的電池或電池，但完全禁止處理已知的有缺陷的電池或電池，這對于那些發(fā)現(xiàn)有缺陷的通過郵件購買的此類物品的人可能很重要。

　　2012年5月16日，在運輸電池起火后，美國郵政服務(wù)局（USPS）禁止將任何裝有鋰電池的物品運往海外地址。由于美國郵政局是運送到這些地址的唯一方法，因此這一限制使得很難將任何含鋰電池的東西發(fā)送給海外軍事人員；該禁令于2012年11月15日解除。美國聯(lián)合航空和達(dá)美航空在2015年FAA關(guān)于連鎖反應(yīng)的報告后，排除了鋰離子電池。

　　從2018年1月15日開始，美國幾家主要航空公司禁止使用不可拆卸電池的智能行李箱托運，以免發(fā)生火災(zāi)。禁令生效后，一些航空公司繼續(xù)錯誤地阻止旅客攜帶智能行李作為隨身行李。

　　由于該禁令，幾家智能行李箱公司被迫關(guān)閉。

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