锂电池的原理与应用

1

锂离子电池原理及工艺流程

一、 原理

1.0 正极构造

LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔） 正极

2.0 负极构造

石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔） 负极

3.0工作原理

3.1 充电过程

如上图一个电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为

LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)

负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe=====LixC6

3.2 电池放电过程

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

二、 工艺流程

1、 基本工作原理

1）、正极反应： LiCoO2 ===== Li1-xCoO2 + x Li+ + xe-

2）、负极反应： 6C + x Li+ + xe- ===== LixC6

3）、电池反应：LiCoO2 + 6C ====== Li1-xCoO2 + LixC6

4）、电池的电动势：

（1）、定义：在没有电流的情况下，电池正、负极两端的电位差。

（2）、影响因素：由电极材料决定，不受其它任何辅助材料影响。

2、 电压特性

1）、开路电压：用电压表直接测量的正、负极两端的电压。

E = V – I R

2）、工作电压范围：2.75 ~ 4.2 volt。

锂离子电池的工作原理及特性

锂离子电池具有体积小、重量轻、比能量高、单体电池电压高（３．６Ｖ）、寿命长和可安全快速充电等特点。

1、锂离子电池的结构

圆柱形锂离子电池的基本结构如下图所示。

▲圆柱形锂离子电池的结构

为了避免因使用不当而造成电池过放电或过充电，在单体锂离子电池内设有三种安全机构。

第一个安全机构为ＰＴＣ（正温度系数）元件，ＰＴＣ的阻值随温度的上升而上升，因而当电池内部的温度过高时，会自动切断负极与正极之间的电路；第二个安全措施是选择适当的隔板材料，当电池内温度上升到一定数值时，隔板上的微孔会自动溶解，从而使电池内的反应停止；第三个安全机构是设置安全阀，当电池内部的压力升高到一定数值时，安全阀将自动打开。 2、锂离子电池的工作原理

锂离子电池的负极活性物质为石墨晶体，正极活性物质为二氧化钴锂ＬｉＣｏＯ２。

充、放电化学反应式为

从反应式可以看出，锂永远以离子的形式出现，不会以金属的形式出现，所以这种电池称为锂离子电池。

3、锂离子电池的主要特性

（1）充电特性曲线

锂离子电池通常采用改进的恒压充电法。其充电结束电压为４．２Ｖ。

（2）放电特性曲线

锂离子电池的放电终止电压为２．７Ｖ。采用１小时率、２小时率和５小时率放电时，放电特性曲线如下图所示。

▲锂离子电池的放电特性曲线

从图上可以看出，采用１小时率放电时，放电时间大约为１ｈ。采用５小时率放电时，放电时间大约为５ｈ。 （3）充放电循环特性

锂离子电池的充放电循环特性曲线如下图所示。

▲锂离子电池的充放电循环特性

从图上可以看出，经过３００次充放电循环以后，锂离子电池的容量仍然可达到其额定值的８５％以上。

（4）存储特性

在不同环境温度下，锂离子电池存储后的剩余电量与存储时间的关系如下图所示。

▲剩余容量与存储时间的关系

当环境温度为－２０℃时，存储６个月后，电池剩余容量仍可保持在额定容量的９０％以上。环境温度为２０℃时，存储６个月后，电池的剩余容量仍可达到额定容量的７０％以上。 锂离子电池存储后电池容量恢复率与存储时间的关系如下图所示。

锂离子电池的工作原理

锂离子电池的结构如图2.1和图2.2 所示，一般由正极、负极和高分子隔膜构成。

锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如LixCoO2，LixNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物LixC6，其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(LixCoO2）和有机电解液三部分组成。

锂离子电池的电化学表达式：

正极反应：

负极反应：

电池反应：

式中：M=Co、Ni、Fe、W等。

图2.1 锂离子电池结构示意图 图2.2 圆柱形锂离子电池结构图

锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池 ”。

锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，它基本解决了困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。

锂电池充电电路原理及应用

时间：2010-06-02 23:53:00 来源： 作者：

锂离子电池以其优良的特性，被广泛应用于: 手机、摄录像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。

一、锂电池与镍镉、镍氢可充电池：

锂离子电池的负极为石墨晶体，正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时，锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以，在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现，而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池，简称锂电池。

锂电池具有：体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点，但价格较贵。镍镉电池因容量低，自放电严重，且对环境有污染，正逐步被淘汰。镍氢电池具有较高的性能价格比，且不污染环境，但单体电压只有1.2V，因而在使用范围上受到限制。

二、锂电池的特点：

1、具有更高的重量能量比、体积能量比；

2、电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压；

3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性；

4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电；

5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次；

6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.5～1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1～2小时；

7、可以随意并联使用；

8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池；

9、成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。

三、锂电池的内部结构 ：

锂电池通常有两种外型：圆柱型和长方型。

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。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜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，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。