鋰電課堂|鋰離子電池知識和鋰離子電池的應用

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

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鋰離子電池簡(jiǎn)介

　　其實(shí)鋰電池早期是由愛(ài)迪生發(fā)明的一種由鋰金屬或鋰合金為負極材料、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。

　　鋰離子電池（Lithium Ion Battery）是一種類(lèi)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(dòng)汽車(chē)，且在軍事以及航空航天應用中越來(lái)越受歡迎。

　　在電池中，鋰離子從負極移動(dòng)電極通過(guò)電解質(zhì)放電期間正電極，和背充電時(shí)。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極的材料。電池具有高能量密度，無(wú)記憶效應和低自放電。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(huì )導致爆炸和火災。

鋰離子電池發(fā)展階段

　　1. 1970年?？松腗.S.WhitTIngham采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個(gè)鋰電池。

　　2. 1980年，J. Goodenough 發(fā)現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)現鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過(guò)程是快速可逆的。與此同時(shí)，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受關(guān)注，因此人們嘗試利用鋰離子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗室試制成功。

　　4. 1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價(jià)、穩定和優(yōu)良的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低于鈷酸鋰，即使出現短路、過(guò)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(gè)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)現具有橄欖石結構的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵（LiFePO4），比傳統的正極材料更具優(yōu)越性，因此已成為當前主流的正極材料。

鋰離子電池分類(lèi)

　　1.按照外形區分：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(lèi)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：用在手機數碼產(chǎn)品上；

　　高倍率電池：用在電動(dòng)車(chē)和電動(dòng)工具上及飛機模型；

　　高溫鋰電池：礦燈，室上燈飾，機器內置后備電源；

　　低溫鋰電池：室外環(huán)境，北方（冬天），南極；

鋰離子電池結構

　　鋰離子電池的結構主要分為五大模塊：正極、負極、電解液、隔膜、外殼與電極引線(xiàn)。

　　鋰離子電池有卷繞式和層疊式兩大類(lèi)，液態(tài)鋰離子電池采用卷繞結構，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-負極-隔膜、正極-隔膜-負極-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)反應中的反應物是正極和負極的材料，兩者都是含有鋰原子的化合物。在放電過(guò)程中，正極上的氧化反應產(chǎn)生帶正電的鋰離子和帶負電的電子，以及殘留在正極上的不帶電物質(zhì)。鋰離子通過(guò)電解質(zhì)傳輸，電子通過(guò)外部電路傳輸后，它們在還原反應中與負極材料一起在負極復合。

　　電解質(zhì)和外部電路分別為鋰離子和電子提供導電介質(zhì)，但不參與電化學(xué)反應。隨著(zhù)電子在放電過(guò)程中流向負極，電池那一側的電極就是正電極。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(guò)程中，這些反應和運輸方向相反。隨著(zhù)電子現在從正極移動(dòng)到負極（在充電和放電期間正極和負極改變位置），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胞中的化學(xué)能。

　　兩個(gè)電極都允許鋰離子分別通過(guò)嵌入或提取的過(guò)程進(jìn)出其結構，當鋰離子在兩個(gè)電極之間來(lái)回“搖擺”時(shí)，這些電池也稱(chēng)為“搖椅電池”或“搖擺電池”。

　　放電過(guò)程中，鋰離子從負電極移動(dòng)（通常是石墨=“C6"），當電池正在充電時(shí)，鋰離子和鋰離子會(huì )發(fā)生相反的變化，如下所述：通過(guò)電解質(zhì)到達電解質(zhì)的正極（負極）（形成鋰化合物），而電子則沿相同方向流過(guò)外部電路。電子以較高的凈能態(tài)返回負極，以下方程式說(shuō)明了化學(xué)反應。

　　摻雜鋰的氧化鈷襯底中的正極（負極）半反應為

　　石墨的負極（正極）半反應為

　　全部反應（從左到右：放電，從右到左：充電）

　　總體反應有其局限性。過(guò)放電鋰鈷氧化物，導致產(chǎn)生的氧化鋰，通過(guò)下面的不可逆反應可能：

　　X射線(xiàn)衍射證明，高達5.2伏的過(guò)充電會(huì )導致氧化鈷（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到故障閾值的整個(gè)充放電循環(huán)數。廠(chǎng)商的數據表通常使用“循環(huán)壽命”一詞來(lái)指定達到電池額定容量80％的循環(huán)次數的壽命。這些電池的閑置存儲也會(huì )降低其容量，日歷壽命用于表示電池的整個(gè)生命周期，包括循環(huán)和非活動(dòng)存儲操作。

　　鋰離子電池循環(huán)壽命受許多不同的應力因素影響，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(dòng)汽車(chē)等實(shí)際應用中，電池無(wú)法完全充電和放電，因此通過(guò)完全放電循環(huán)來(lái)定義電池壽命可能會(huì )產(chǎn)生誤導。

　　為避免這種混淆，研究人員有時(shí)會(huì )使用累積放電，該累積放電定義為電池在整個(gè)壽命或等效的整個(gè)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(gè)充放電循環(huán)的分數。儲存期間的電池退化會(huì )受到溫度和電池充電狀態(tài)（SOC）的影響，充滿(mǎn)電（100％SOC）和高溫（通常> 50°C）的組合會(huì )導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）乘以額定的標稱(chēng)電壓即可得出在電池使用壽命內傳遞的總能量。由此可以計算出每千瓦時(shí)能源的成本（包括充電成本）。

鋰離子電池工作原理

1.充電時(shí)

　　在電場(chǎng)的驅動(dòng)下鋰離子從正極晶格中脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)，嵌入到負極晶格中。

　　充電開(kāi)始時(shí)，先檢測待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進(jìn)行預充電，充電電流為設定電流的1/10，一般選0.05C左右。電壓升到3V后，進(jìn)入標準充電過(guò)程。標準充電過(guò)程為：以設定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20V時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.20V。此時(shí)，充電電流逐漸下降，當電流下降至設定充電電流的1/10時(shí)，充電結束。

　　一般鋰離子電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過(guò)大的電流充電，容量不夠滿(mǎn)，因為電池內部的電化學(xué)反應需要時(shí)間。

　　術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)撼浞烹婋娏饕话阌?ldquo;C”作參照，C是對應電池容量的數值。電池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的電池容量1200mAh，對應的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

　　下面是鋰離子電池典型充電曲線(xiàn)圖：

2.放電時(shí)

　　過(guò)程正好相反鋰離子返回正極，電子通過(guò)用電器由外電路到達正極與鋰離子復合。

　　從典型放電曲線(xiàn)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。

鋰離子電池的應用

一、交通工具動(dòng)力源

　　1.電動(dòng)自行車(chē)

　　2.電動(dòng)摩托車(chē)

　　3.電動(dòng)汽車(chē)（混合動(dòng)力與純動(dòng)力）

　　4.電動(dòng)大巴車(chē)（純電動(dòng)和混合動(dòng)力）

　　5.電動(dòng)特種車(chē)（電動(dòng)高爾夫車(chē)，電動(dòng)旅游觀(guān)光車(chē)，電動(dòng)工程車(chē)，電動(dòng)掃地機，電動(dòng)叉車(chē)，警用巡邏車(chē)，電動(dòng)平衡車(chē)等）

二、電力儲能電源

　　1.太陽(yáng)能/風(fēng)能電力儲能系統

　　2.電網(wǎng)調峰電源

　　3.電力專(zhuān)用不間斷電源系統

　　4.一體化電源系統

　　5.光伏離網(wǎng)并網(wǎng)儲能電站系統

三、移動(dòng)通信電源

　　1.宏基站一體化鋰電池電源

　　2.戶(hù)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(diǎn)鋰電池備電

　　5.FTTX的多種鋰電池備電

　　6.通信機樓336V HVDC數據中心備電

　　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(dòng)力電源

　　1.太陽(yáng)能路燈、草坪燈、礦燈、應急燈、庭院燈、高桿燈

　　2.起動(dòng)電源（汽車(chē)、摩托車(chē)、鐵路內燃機車(chē)、電力機車(chē)、客車(chē)起動(dòng)等的電源）

　　3.電動(dòng)工具（電鉆，碾磨器，電動(dòng)螺母等）

　　4.電動(dòng)玩具

　　5.電動(dòng)割草機，電動(dòng)捕魚(yú)器等

　　6.電動(dòng)模型、航模

　　7.電動(dòng)機器人

五、航天軍工電源

　　1.大型艦船類(lèi)動(dòng)力電源（航線(xiàn)、戰船、大型郵輪、貨輪等）

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

　　3.航天載具動(dòng)力電源系統（航天飛機、衛星、火箭、導彈等）

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

鋰離子電池運輸管理

　　國際航空運輸協(xié)會(huì )預估，每年運輸飛行的鋰電池超過(guò)十億個(gè)。

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

　　計算出的鋰含量不是實(shí)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(shí)，如果電池中鋰的總含量超過(guò)1.5克，則必須將包裝上標記為“第9類(lèi)其他有害物質(zhì)”。

　　盡管裝有鋰離子電池的設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，在運輸法規中提供了有關(guān)安全包裝和運輸的示例性提示；例如，此類(lèi)電池應裝在其原始的保護包裝中，或“通過(guò)敲擊裸露的端子或將每個(gè)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(dòng)輔助工具一部分的鋰離子電池（包括任何備用電池），而這套規則和規定適用于該電池。

　　一些郵政管理部門(mén)限制單獨運輸或安裝在設備中的鋰和鋰離子電池的航空運輸（包括EMS）。此類(lèi)限制適用于香港，澳大利亞和日本。其他郵政管理部門(mén)，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)現有缺陷的通過(guò)郵件購買(mǎi)的此類(lèi)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)合航空和達美航空在2015年FAA關(guān)于連鎖反應的報告后，排除了鋰離子電池。

　　從2018年1月15日開(kāi)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。禁令生效后，一些航空公司繼續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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