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锂电池基础知识讲解

锂电池基础知识讲解

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  • 发布时间:2020-07-17
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【概要描述】理想的锂离子电池,除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外,不发生其他副反应,不出现锂离子的不可逆消耗。实际的锂离子电池,每时每刻都有副反应存在,也有不可逆的消耗,如电解液分解,活性物质溶解,金属锂沉积等,只不过程度不同而己。实际电池系统,每次循环中,任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应,都可能导致电池容量平衡的改变。

锂电池基础知识讲解

【概要描述】理想的锂离子电池,除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外,不发生其他副反应,不出现锂离子的不可逆消耗。实际的锂离子电池,每时每刻都有副反应存在,也有不可逆的消耗,如电解液分解,活性物质溶解,金属锂沉积等,只不过程度不同而己。实际电池系统,每次循环中,任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应,都可能导致电池容量平衡的改变。

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锂电池基础知识讲解
理想的锂离子电池,除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外,不发生其他副反应,不出现锂离子的不可逆消耗。实际的锂离子电池,每时每刻都有副反应存在,也有不可逆的消耗,如电解液分解,活性物质溶解,金属锂沉积等,只不过程度不同而己。实际电池系统,每次循环中,任何能够产生或消耗锂离子或电子的副反应,都可能导致电池容量平衡的改变。一旦电池的容量平衡发生改变,这种改变就是不可逆的,并且可以通过多次循环进行累积,对电池性能产生严重影响。
(1)正极材料的溶解
尖晶石LiMn2O4中Mn的溶解是引起LiMn204可逆容量衰减的主要原因,对于Mn的溶解机理,--般有两种解释:氧化还原机制和离子交换机制。

氧化还原机制是指放电末期Mn3+的浓度高,在LiMn2O4表面的Mn+会发生歧化反应:2Mn3+ (固) Mn4+ (固) +Mn2+ (液)歧化反应生成的二价锰离子溶于电解液。离子交换机制是指Li+和H+在尖晶石表面进行交换,
最终形成没有电化学活性的HMn204.Xia等的研究表明,锰的溶解所引起的容量损失占整个电池容量损失的比例随着温度的升高而明显增大(由常温下的23%增大到55°C时的34%) [14]。
(2)正极材料的相变化[15]
锂离子电池中的相变有两类:--是锂离子正常脱嵌时电极材料发生的相变;二是过充电或过放电时电极材料发生的相变。对于第一.类相变,-.般认为锂离子的正常脱嵌反应总是伴随着宿主结构摩尔体积的变化,同时在材料内部产生应力,从而引起宿主晶格发生变化,这些变化减少了颗粒间以及颗粒与电极间的电化学接触。第二类相变是Jahn-Teller 效应。Jahn-Teller 效应是指由于锂离子的反复嵌入与脱嵌引起结构的膨胀与收缩,导致氧八面体偏离球对称性并成为变形的八面体构型。由于Jahn-Teller 效应所导致的尖晶石结构不可逆转变,也是LiMn204容量衰减的主要原因之一。在深度放电时,Mn的平均化合价低于3.5V,尖晶石的结构由立方晶相向四方晶相转变。四方晶相对称性低无序性强,使锂离子的脱嵌可逆程度降低,表现为正极材料可逆容量的衰减。

(3)电解液的还原[15]

锂离子电池中常用的电解液主要包括由各种有机碳酸酯(如PC、EC、DMC、DEC等)的混合物组成的溶剂以及由锂盐(如LiPF6、LiCIO4 、LiAsF6 等)组成的电解质。在充电的条件下,电解液对含碳电极具有不稳定性,故会发生还原反应。电解液还原消耗了电解质及其溶剂,对电池容量及循环寿命产生不良影响,由此产生的气体会增加电池的内部压力,对系统的安全造成威胁。
(4)过充电造成的量损失[15]
负极锂的沉积:过充电时,发生锂离子在负极活性物质表面上的沉积。锂离子的沉积--方面.造成可逆锂离子数目减少,另一方面沉积的锂金属极易与电解液中的溶剂或盐的分子发生反应,生成Li2CO3、LiF 或其他物质,这些物质可以堵塞电极孔,最终导致容量损失和寿命下降。电解液氧化:锂离子电池常用的电解液在过充电时容易分解形成不可溶的Li2CO3等产物,阻塞极孔并产生气体,这也会造成容量的损失,并产生安全隐患。正极氧缺陷:高电压区正极LiMn204中有损失氧的趋势,这造成氧缺陷从而导致容量损失。
(5)自放电
锂离子电池的自放电所导致的容量损失大部分是可逆的,只有一小部分是不可逆的。造成不.可逆自放电的原因主要有:锂离子的损失(形成不可落的Li2CO3等物质) ;电解液氧化产物堵塞电极微孔,造成内阻增大。
 

(6)介面膜的形成
由于锂离子或电解液与电极之间的不可逆反应,sz在负极与电解液界面处会形成固态电解液界面层(SEI)。由于形成这种钝化膜而损失的锂离子将导致两极间容量平衡的改变,在最初的几次循环中就会使电池的容量下降。
(7)集流体
锂离子电池中的集流体材料常用铜和铝,两者都容易发生腐蚀,集流体的腐蚀会导致电池内阻增加,从而造成容量损失。为什么负极要用铜箔而正极要用铝箔
1、采用两者做集流体都是因为两者导电性好,质地比较软(可能这也会有利于粘结),也相对常见比较廉价,同时两者表面都能形成一-层氧化物保护膜。
2、铜表面氧化层属于半导体,电子导通,氧化层太厚,阻抗较大;而铝表面氧化层氧化铝属绝缘体,氧化层不能导电,但由于其很薄,通过隧道效应实现电子电导,若氧化层较厚,铝箔导电性级差,甚至绝缘。--般集流体在使用前最好要经过表面清洗,一方面洗去油污,同时可除去厚氧化层。
3、正极电位高,铝薄氧化层非常致密,可防止集流体氧化。而铜箔氧化层较疏松些,为防止其氧化,电位比较低较好,同时Li难与Cu在低电位下形成嵌锂合金,但是若铜表面大量氧化,在稍高电位下Li会与氧化铜发生嵌锂发应。AL箔不能用作负极,低电位下会发生LiAl合金化。
4、集流体要求成分纯。AL的成分不纯会导致表面膜不致密而发生点腐蚀,更甚由于表面膜的破坏导致生成LiAI合金。铜网用硫酸氢盐清洗后用去离子水清洗后烘烤,铝网用氨盐清洗后用去离子水清洗后烘烤,再喷网导电效果好。

锂离子电池的基本知识
第一节锂离子电池的基本知识
一般而言,锂离子电池有三部分构成:
1.锂离子电芯
2.保护电路(PCM)
3.外壳即胶壳
电池的分类
从锂离子电池与手机配合情况来看,一般分为外置电池和内置电池,这种叫法很容易理解外置电池就是直接装在手上背面,如:MOTOROLA191,SAMSUNG系列等;而内置电池就是装入手机后,还另有一个外壳把其扣在手机电池内,如:MOTOROLA 998 8088,NOKIA的大部分机型
1.外置电池
外置电池的封装形式有超声波焊接和卡扣两种:
1.1超声波焊接
外壳.
这种封装形式的电池外壳均有底面壳之分,材料- - 般为ABS+PC料,面壳一般喷油 处理,代表型号有:MOTOROLA 191,SAMSUNG 系列,原装电池的外壳经喷油处理后长期使用- -般 不会磨花,而一些品牌电池或水货电池用.上几天外壳喷油就开始脱落了.其原因为手机电池的外壳较便宜,

而喷油处理的成本- -般 为外壳的几倍(好一点的),这样处理一 般有 三道工序:喷光油(打底),喷油(形成颜色),再喷亮油(顺序应该是这样的,如果我没记错的话),而一-些厂 商为了降低成本就省去了第一和第三道工序,这样成本就很低了.
超声波焊塑机
其作用为:
行业内比较好的国产超声波焊塑机应该是深圳科威信机电公司生产的.焊接有了好的超声波焊塑机不够的,是否能够焊接OK,还与外壳的材料和焊塑机参数设置有很大关系,外壳方面主要与生产厂家的水口料掺杂情况有关,而参数设置则需自己摸索,由于涉及到公司一些技术资料,在这里不便多讲.
1.2卡扣式
卡扣式电池的原理为底面壳设计时形成卡扣式,其一- 般为一次性,如果卡好后用户强行折开的话,就无法复原,不过这对于生产厂家来讲不是很大的难度(卡好后再折开),其代表型号有:爱立信788,MOTOROLA V66.
2.内置电池
内置电池的封形式也有两种,超声波焊接和包标(使用商标将电池全部包起)超声波焊接的电池主要有:NOKIA 8210,8250,8310,7210 等.包标的电池就很多了,如前两年很浒的MOTO998 ,8088 了.

第二节锂离子电芯的基本知识
锂离子电芯是--种新型的电池能源,它不含金属锂,在充放电过程中,只有锂离子在正负极间往来运动,电极和电解质不参与反应。锂离子电芯的能量容量密度可以达到300Wh/L,重量容量密度可以达到125Wh/L.
一、电芯原理
锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行,锂离子在正负极之间嵌入脱出,往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在,因此锂离子电芯更加安全稳定。其反应示意图及基本反应式如下所示:
二、电芯的构造
电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂,涂在铝箔上形成正极板,负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带.上,目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。根据上述的反应机理,正极采用LiCoO2、LiNiO2、 LiMn2O2, 其中LiCoO2本是-种层结构很稳定的晶型,但当从LiCoO2拿走XLi后,其结构可能发生变化,但是否发生变化取决于X的大小。通过研究发现当X>0.5时Li1-XCoO2的结构表现为极其不稳定,会发生晶型瘫塌,其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值,一般充电电压不大于4.2V那么X小于0.5,这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点,当第- -次化成后,正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中,当放电时Li回到正极LiCoO2中,但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中,心以保证下次充放电Li的正常嵌入,否则电芯的压倒很短,为了保证有一-部分Li留在负极C6中,- -般通过限制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压≤4.2V, 放电下限电压≥2.5V.

二、电芯的构造
电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂,涂在铝箔上形成正极板,负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带.上,目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。根据上述的反应机理,正极采用LiCoO2、LiNiO2、 LiMn2O2,其中LiCoO2本是一-种层结构很.稳定的晶型,但当从LiCoO2拿走XLi后,其结构可能发生变化,但是否发生变化取决于X的大小。通过研究发现当X>0.5时Li1-XCoO2的结构表现为极其不稳定,会发生晶型瘫塌,其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值,- -般充电电压不大于4.2V那么X小于0.5,这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点,当第一-次化成后,正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中,当放电时Li回到正极LiCoO2中,但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中,心以保证下次充放电Li的正常嵌入,否则电芯的压倒很短,为了保证有一部分Li留在负极C6中,- - 般通过限制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压≤4.2V, 放电下限电压≥2.5V。
 

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