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锂离子电池结构及其工作原理详解

传感器技术 2018-08-10 09:54 次阅读

锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池。而真正的锂电池由于危险性大,很少应用于日常电子产品。

锂离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池,是现代高性能电池的代表。

锂离子电池的工作原理

锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。

当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

一般锂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。就跟倒啤酒一样,倒太快的话会产生泡沫,反而不满。

对电池来说,正常使用就是放电的过程。

锂电池放电需要注意几点:

第一,放电电流不能过大,过大的电流导致电池内部发热,有可能会造成永久性的损害。在手机上,这个倒是没有问题的,可以不考虑。

第二,绝对不能过放电!锂电池最怕过放电,一旦放电电压低于2.7V,将可能导致电池报废。好在手机电池内部都已经装了保护电路,电压还没低到损坏电池的程度,保护电路就会起作用,停止放电。从图上可以看出,电池放电电流越大,放电容量越小,电压下降更快。

锂离子电池结构

正极:活性物质,导电剂、溶剂、粘合剂、基体。

电池放电时从外电路获得电子的电极,此时电极发生还原反应。通常是电位高的电极。锂离子电池中的钴酸锂、锰酸锂电极等。

负极:活性物质(石墨、MCMB、CMS),粘合剂、溶剂、基体。

电池放电时向外电路输送电子的电极,此时电极发生氧化反应。通常是电位低的电极,锂离子电池中石墨电极。

隔膜

隔膜是放置于两极之间,作为隔离电极的装置,藉以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路。但隔膜仍需能让带电离子通过,以形成通路。

隔膜要求:

1、离子透过度大

2、机械性强度适当

3、本身为绝缘体

4、不与电解液及电极发生反应

材质:单层PE(聚乙烯)或者三层复合PP(聚丙烯) +PE+PP

厚度:单层一般为0.016~0.020mm,三层一般为0.020~0.025mm

电解液

外壳五金件(钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片、绝缘胶带)

锂离子电池电芯原材料

正极材料

正极材料在锂电池中市场容量最大、附加值较高,大约占锂电池成本30%,毛利率低则15%,高则70%以上。

目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。

镍酸锂电池安全性最差(过充易起火),高温耐受度最低(高温分解),合成难度最高。

钴酸锂最早实现商业化应用,技术发展至今已经很成熟,并已广泛应用在小型低功率的便携式电子产品上,如手机、笔记本电脑和数码电子产品等。

磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能,充放电平台十分平稳,充放电过程中结构稳定。同时,该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点,是目前电池界竞相开发研究的热点。

负极材料

负极材料占锂电成本比例较低,主要有碳负极材料和非碳负极材料。

碳负极材料:被目前商品锂离子电池广泛采用。

优点:安全、循环寿命较长,价格低廉、无毒。

缺点:质量比能量比较低。

非碳负极材料: 按组成分为锂过渡金属氮化物、过渡金属氧化物和纳米合金材料。

优点:有很高的体积能量密度。

缺点:循环稳定性差,不可逆容量较大,制备成本较高,尚未产业化。

负极材料未来以提高容量和循环稳定性为目标,将碳材料与各种高容量非碳负极材料复合以开发高容量、非碳复合负极材料。

隔膜材料

市场化的隔膜材料主要是以聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)为主的聚烯烃(Polyolefin)类隔膜,其中PE 产品主要由湿法工艺制得,PP 产品主要由干法工艺制得。

PE产品与PP产品的特征比较:

1、PP 相对更耐高温,PE 相对耐低温;

2、PP 密度比PE 小;

3、PP 熔点和闭孔温度比PE高;

4、PP 制品比PE 脆;

5、PE 对环境应力更敏感。

主要的隔膜材料产品有单层PP、单层PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、双层PP/PE、双层PP/PP 和三层PP/PE/PP 等,其中前两类产品主要用于3C 小电池领域,后几类产品主要用于动力锂电池领域。

在动力锂电池用隔膜材料产品中,双层PP/PP 隔膜材料主要由中国企业生产,在中国大陆使用,这主要是因为目前阶段还没有中国企业能将PP 与PE 制成双层复合膜的技术和能力。而全球汽车动力锂电池使用的隔膜以三层PP/PE/PP、双层PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料产品为主。与此同时,其他一些新型隔膜材料产品也在不断涌现并开始实现应用,不过,因量少价高,主要还是用在动力锂电池制造领域。这些产品主要有:涂层处理的聚酯膜(PET,Polyethylene Terephthalate)、纤维素膜、聚酰亚胺膜(PI)、聚酰胺膜(PA),氨纶或芳纶膜等等。这些隔膜的优点是耐高温,且具有低温输出、充电循环寿命长、机械强度适中的特点。总的来看,锂电池隔膜材料产品呈现出明显的多样化发展趋势。

电解液

锂离子电池电解液材料重点在于高安全性、高环境适应性,主要发展将集中在:新型溶剂(工作温度范围拓宽)、离子液体、新型锂盐(提高环境适应性)、添加剂(阻燃、氧化还原穿梭、保护正负极成膜等)等方面,与新型正、负极材料相匹配,提高安全性、功率和容量,最终安全方便地应用于电动车、储能、航天以及更广泛的领域。

锂离子电池的制造工艺流程

锂离子电池生产用的主要设备

真空行星搅拌机

用途:将各种电池材料均匀的搅拌成浆状。

电极涂布机

用途:搅拌后的浆料均匀涂膜在金属箔片  上。对浆料的涂布厚度精确到3微米以下。

辊压机

用途:涂布后的极片进一步压实,提高电池的能量密度。

极片分切设备

超声焊接导电柄设备

卷绕机

用途:将制造好的极片卷绕成电池

手套箱

用途:保证在低湿度环境下将电解液与卷芯封装在一起

注液机

用途:保证高精度的流水化将电解液真空注入电池包装材料内

化成测试设备

用途:将做好的电池充电活化,产生电压,同时测试电池的容量。

原文标题:近距离了解锂电池!

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