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鋰離子電池工作的原理和負極材料

鉅大LARGE  |  點擊量:2508次  |  2020年12月03日  

鋰離子電池以含鋰的化合物作正極的鋰離子電池,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。在Li-ionBatteries的充放電過程中,鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態(tài)。Li-ionBatteries就像一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,而鋰離子就象運動員相同在來回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫搖椅式電池。


當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容里越高。同樣,當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極?;卣龢O的鋰離子越多,放電容量越高。


鋰離子電池


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)部的電化學反應要時間。就跟倒啤酒相同,倒太快的話會出現(xiàn)泡沫,反而不滿。


對電池來說,正常使用就是放電的過程。鋰離子電池放電要注意幾點:


第一,放電電流不能過大,過大的電流導致電池內(nèi)部發(fā)熱,有可能會造成永久性的損害。在手機上,這個倒是沒有問題的,可以不考慮。


第二,絕對不能過放電!鋰離子電池最怕過放電,一旦放電電壓低于2.7V,將可能導致電池報廢。好在手機電池內(nèi)部都已經(jīng)裝了保護電路,電壓還沒低到損壞電池的程度,保護電路就會起用途,停止放電。從圖上可以看出,電池放電電流越大,放電容量越小,電壓下降更快。


鋰離子電池以碳素材料為負極,以含鋰的化合物作正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌(習慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負極用插入或脫插表示)。在充放電過程中,鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插,被形象地稱為搖椅電池。


鋰離子電池負極材料:鋰離子電池負極材料:(1)碳材料:石墨化碳材料、無定型碳材料。如石墨、軟碳、中間相碳微球已在國內(nèi)有開發(fā)和研究,硬碳、碳納米管、巴基球C60等多種碳材料正在被研究中。(2)其它材料:氮化物、硅基材料、錫基材料、新型合金、納米氧化物等。


負極材料:多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。負極反應:放電時鋰離子脫插,充電時鋰離子插入。充電時:xLi+xe6C-LixC6放電時:LixC6→xLi+xe+6C大體分為以下幾種:


第一種是碳負極材料:石墨化碳材料、無定型碳材料。如石墨、軟碳、中間相碳微球已在國內(nèi)有開發(fā)和研究,硬碳、碳納米管、巴基球C60等多種碳材料正在被研究中。實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。同第二種是錫基負極材料:錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基復合氧化物兩種。氧化物是指各種價態(tài)金屬錫的氧化物。沒有商業(yè)化產(chǎn)品。


第三種是含鋰過渡金屬氮化物負極材料,沒有商業(yè)化產(chǎn)品。


第四種是合金類負極材料:包括錫基合金、硅基合金、褚基合金、鋁基合金、梯基合金、鎂基合金和其它合金,沒有商業(yè)化產(chǎn)品。


第五種是納米級負極材料:納米碳管、納米合金材料。


第六種納米材料是納米氧化物材料:目前合肥翔正化學科技有限公司根據(jù)2009年鋰離子電池新能源行業(yè)的市場發(fā)展最新動向,諸多公司已經(jīng)開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統(tǒng)的石墨,錫氧化物,納米碳管里面,極大的提高鋰離子電池的沖放電量和充放電次數(shù)。


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