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鋰離子電池構(gòu)成的那些事

時(shí)間:2016-10-17 10:45:37來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載

導(dǎo)語(yǔ):?我們知道,電池實(shí)際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換,以實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。

在當(dāng)今世界里,鋰離子電池遍布在我們生活當(dāng)中,其應(yīng)用領(lǐng)域包括手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動(dòng)電源(充電寶)、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)公交車(chē)、旅游觀光車(chē)、無(wú)人機(jī),以及其他各類(lèi)電動(dòng)工具。作為眾多電子設(shè)備的動(dòng)力來(lái)源,可以說(shuō),離開(kāi)了鋰離子電池,當(dāng)今的世界將會(huì)不敢想象。那么,鋰離子電池到底是什么鬼?

一說(shuō)到鋰離子電池的構(gòu)成,大家都知道鋰是必不可少的組成部分,沒(méi)錯(cuò),就是我們化學(xué)課本元素周期表里的那個(gè)鋰。但一個(gè)完整的鋰離子電池可不光是只有鋰,下面我們就來(lái)跟大家聊聊鋰離子電池構(gòu)成的那些事。

鋰離子電池的基本構(gòu)成

鋰離子電池內(nèi)部需要包含幾種基本材料:正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、隔離膜、電解質(zhì)。那么這些材料都干嘛的呢?

正負(fù)極不難理解,要實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng),就需要存在電位差的正負(fù)極材料,那么什么是活性物質(zhì)?我們知道,電池實(shí)際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換,以實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程,就需要正負(fù)極的材料很“容易”參與化學(xué)反應(yīng),要活潑,要容易氧化和還原,從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換,所以我們需要“活性物質(zhì)”來(lái)做電池的正負(fù)極。

電解質(zhì)是干嘛的?通俗的講,就是游泳池里面的“水”,讓鋰離子能夠自由的游來(lái)游去,所以呢,離子電導(dǎo)率要高(游泳的阻力小),電子電導(dǎo)率要小(絕緣),化學(xué)穩(wěn)定性要好(穩(wěn)定壓倒一切啊),熱穩(wěn)定性要好(都是為了安全),電位窗口要寬?;谶@些原則,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程探索,人們找到了由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、和必要的添加劑等原料,在一定條件下、按一定比例配制而成的電解質(zhì)。有機(jī)溶劑有PC(碳酸丙烯酯),EC(碳酸乙烯酯),DMC(碳酸二甲酯),DEC(碳酸二乙酯),EMC(碳酸甲乙酯)等材料。電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6,LiBF4等材料。

隔離膜則是為了阻止正負(fù)極材料直接接觸而加進(jìn)來(lái)的,我們希望把電池做的盡可能的小,存儲(chǔ)的能量盡可能的多,于是正負(fù)極之間的距離越來(lái)越小,短路成為一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止正負(fù)極材料短路,造成能量的劇烈釋放,就需要用一種材料將正負(fù)極“隔離”開(kāi)來(lái),這就是隔離膜的由來(lái)。隔離膜需要具有良好的離子通過(guò)性,主要是給鋰離子開(kāi)放通道,讓其可以自由通過(guò),同時(shí)又是電子的絕緣體,以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極之間的絕緣。目前市場(chǎng)上的隔膜主要有單層PP,單層PE,雙層PP/PE,三層PP/PE/PP復(fù)合膜等。

除了上面提到的4種主要材料之外,要想把鋰離子電池從實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)“實(shí)驗(yàn)品”變成一個(gè)可以商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品,還需要其他一些不可或缺的材料。

我們先看電池的正極,除了活性物質(zhì)之外,還有導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑,以及用作電流載體的基體和集流體(正極通常是鋁箔)。粘結(jié)劑要把作為活性物質(zhì)的鋰金屬氧化物均勻的“固定”在正極基帶上面,導(dǎo)電劑則要增強(qiáng)活性物質(zhì)與基體的電導(dǎo)率,以達(dá)到更大的充放電電流,集流體負(fù)責(zé)充當(dāng)電池內(nèi)外部的電荷轉(zhuǎn)移橋梁。

除了以上材料外,一個(gè)完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體(鋁,鋼,復(fù)合膜等),以及其他一些輔助材料。

既然我們是汽車(chē)頻道也要聊一些跟汽車(chē)有關(guān)的話題,目前市面上的電動(dòng)車(chē)采用的鋰電池主要分為三大類(lèi):

磷酸鐵鋰電池---代表車(chē)型:比亞迪E6

優(yōu)點(diǎn):磷酸鐵鋰電池屬于鋰離子二次電池,它的放電效率較高,倍率放電情況下充放電效率可達(dá)到90%以上,要比低速電動(dòng)汽車(chē)使用的鉛酸電池高出10%,因此適合作為動(dòng)力電池使用。磷酸鐵鋰電池的安全性也很好,可以在390℃以?xún)?nèi)的高溫下保持穩(wěn)定,保證了電池內(nèi)在的高安全性,不會(huì)因過(guò)充、溫度過(guò)高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒,可以輕松通過(guò)針刺實(shí)驗(yàn)。而且磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬,對(duì)人體沒(méi)有直接危害。磷酸鐵鋰電池使用壽命較長(zhǎng)。磷酸鐵鋰電池使用80%后進(jìn)行快充,可以安全達(dá)到4000至5000次,70%后,也可以保證7000-8000次,理論壽命可以達(dá)到7~8年。

缺點(diǎn):相比于其他類(lèi)型的動(dòng)力電池,磷酸鐵鋰電池價(jià)格較高,而且電池容量較小,同樣的電池容量,磷酸鐵鋰電池的重量更重、體積更大,嚴(yán)重影響了電動(dòng)車(chē)的續(xù)航。另外,磷酸鐵鋰電池報(bào)廢后基本上不能回收再利用,沒(méi)有可回收價(jià)值。

三元鋰電池--代表車(chē)型:特斯拉ModelS

優(yōu)點(diǎn):三元鋰電池是指正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池,能量密度大,體積比能量較高,并且價(jià)格相對(duì)低廉。

缺點(diǎn):并且無(wú)法通過(guò)針剌實(shí)驗(yàn),表明三元電池在內(nèi)部短路、電池外殼損壞的情況下,很容易引發(fā)燃燒、爆炸等安全事故。另外,由于材料本身的性質(zhì),導(dǎo)致三元鋰電池在使用壽命上相對(duì)較短,同時(shí),由于全球全球鎳、鈷資源緊張,其大量應(yīng)用可能導(dǎo)致市場(chǎng)價(jià)格上漲,也會(huì)增加未來(lái)的用車(chē)費(fèi)用。

錳酸鋰電池--代表車(chē)型:?jiǎn)⒊匠匡L(fēng)

優(yōu)點(diǎn):錳酸鋰電池?fù)碛休^好的安全性能,而且振實(shí)密度較大,同樣體積下電池中能裝下更多的物質(zhì),擁有更高的電量。由于錳元素儲(chǔ)量高,資源豐富,生產(chǎn)制造錳酸鋰電池的成本也較低,能降低消費(fèi)者的購(gòu)車(chē)成本。

缺點(diǎn):由于錳的本身性質(zhì)不太穩(wěn)定,易分解產(chǎn)生氣體,因此多用于和其它材料混合使用,以降低電芯成本,但其循環(huán)壽命衰減較快。同時(shí),不穩(wěn)定性也會(huì)使電池本身容易發(fā)生鼓脹。另外,與其他鋰離子材料相比,錳酸鋰電池的耐高溫性能也較差,相對(duì)壽命也會(huì)受到影響。

sony在1992年開(kāi)發(fā)出第一個(gè)鋰離子電池。它的實(shí)用化,使人們的移動(dòng)電話、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備重量和體積大大減小。使用時(shí)間大大延長(zhǎng)。由于鋰離子電池中不含有重金屬鉻,與鎳鉻電池相比,大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。

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