锂电池原理及构造简介锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着科学技术的发展,锂电池已经成为了主流。 锂电池大致可锂金属电池和锂离子电池两类。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。 锂电池的构造 锂电池的正极材料通常是锂离子嵌入的化合物,如钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)等;负极材料通常是碳材料,如石墨;电解液是锂盐的有机溶剂,如六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯类溶剂;隔膜是一种特殊的薄膜,允许锂离子通过,但阻止电子通过。 锂电池的工作原理 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 锂电池的保护措施 锂电池芯过充到电压高于 4.2V 后,会开始产生副作用。过充电压愈高,危险性也跟着愈高。因此,锂电池充电时,一定要设定电压上限,才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为 4.2V。 锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于 2.4V 时,部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电, 放愈久电压会愈低,因此,放电时最好不要放到 2.4V 才停止。锂电池从 3.0V 放电到 2.4V 这段期间,所释放 的能量只占电池容量的 3%左右。因此,3.0V 是一个理想的放电截止电压。 充放电时,除了电压的限制,电流的限制也有其必要。电流过大时,锂离子来不及进入储存格,会聚集于材料表面。这些锂离子获得电子后,会在材料表面产生锂原子结晶,这与过充一样,会造成危险性。万一电池外壳破裂,就会爆炸。 因此,对锂离子电池的保护,至少要包含:充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。 |