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锂离子电池的结构与工作原理

2009年11月13日 14:12 www.elecfans.com 作者:佚名 用户评论(0

锂离子电池的结构与工作原理
  锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的,独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”,俗称“锂电”。

  锂电池通常有两种外型:圆柱型和方型。电池内部采用螺旋绕制结构,用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由钴酸锂(或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等)及铝箔组成的电流收集极。负极由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件(部分圆柱式使用),以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。

  单节锂电池的电压为3.7V(磷酸亚铁锂正极的为3.2V),电池容量也不可能无限大,因此,常常将单节锂电池进行串、并联处理,以满足不同场合的要求。

  正极正极材料:

  可选的正极材料很多,主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照:

  锂离子电池的结构与工作原理

  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。

  负极

  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:放电时锂离子脱嵌,充电时锂离子嵌入。

  充电时:xLi+ + xe- + 6C → LixC6放电时:LixC6 → xLi+ + xe- + 6C

  ◎当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态,一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。

  ◎做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2 +3x+5y)/2)等。

  ◎电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。

  ◎隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜,尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低,而且具有较高的抗穿刺强度,起到了热保险作用。

  ◎外壳采用钢或铝材料,盖体组件具有防爆断电的功能。

二、锂离子电池的种类
  根据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。

  液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的,电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2,负极使用各种碳材料如石墨,同时使用铝、铜做集流体。

  它们的主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。(见下表)

 
电解质
壳体/包装
隔膜
集流体
液态锂离子电池
液态
不锈钢、铝
25μPE
铜箔和铝箔
聚合物锂离子电池
胶体聚合物
铝/PP复合膜
没有隔膜或个μPE
铜箔和铝箔
  由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电液泄露,所以装配很容易,使得整体电池很轻、很薄。也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题,因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳,从而可以提高整个电池的比容量;聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料,其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50%以上。此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比液态锂离子电池有所提高。基于以上优点,聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。

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( 发表人:王增涛 )

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