锂离子电池工作原理 3.docx

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锂离子电池工作原理3

锂离子电池工作原理

正极反应：

放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

负极反应：

放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。

电池总反应

以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。

而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。

回正极的锂离子越多，放电容量越高。

我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。

Li-ionBatteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。

所以Li-ionBatteries又叫摇椅式电池。

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。

而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。

就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

正极

正极材料：

可选正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。

正极反应：

放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

充电时：

LiFePO?

→Li1-xFePO?

+xLi+xe

放电时：

Li1-xFePO?

+xLi+xe→LiFePO?

不同的正极材料对照：

正极材料

平均输出电压

能量密度

LiCoO?

3.7V

140mAh/g

Li2MnO3

3.7V

100mAh/g

LiFePO4

3.2V

130mAh/g

Li2FePO?

F

3.6V

115mAh/g

负极

负极材料：

多采用石墨。

新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应：

放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。

充电时：

xLi+xe+6C→LixC6

放电时：

LixC6→xLi+xe+6C

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。

在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：

充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。

组成部分

钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列：

（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。

导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。

（2）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。

（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。

（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。

（5）电池外壳——分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。

工作效率

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。

自放电小，好的电池，每月在2%以下（可恢复）。

没有记忆效应。

工作温度范围宽为-20℃～60℃。

循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。

使用寿命长。

不含有毒有害物质，被称为绿色电池。

电解质溶液

溶质：

常采用锂盐，如高氯酸锂（LiClO4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）。

溶剂：

由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。

有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜（solidelectrolyteinterphase，SEI）导致电极钝化。

有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

优点

1）电压高

单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。

2）比能量大

能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。

3）循环寿命长

一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。

对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。

4）安全性能好

无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：

Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：

部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。

5）自放电小

室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。

6）快速充电

1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。

7）工作温度

工作温度为-25~45°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。

超级电容器工作原理

概述

超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器（ElectricalDouble-LayerCapacitor）、电化学电容器（ElectrochemcialCapacitor,EC）,黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。

它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。

众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。

那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。

它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。

双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。

同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。

工作原理

超级电容器是利用双电层原理的电容器。

当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。

当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。

由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。

由此可以看出：

超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。

因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

分类

超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。

按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：

双电层型超级电容器

分类多样

1.活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。

2.碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。

3.碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。

4.碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。

以上电极材料可以制成：

1.平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。

2.绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。

赝电容型超级电容器

包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。

这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。

按电解质类型

可以分为水性电解质和有机电解质类型：

水性电解质

1.酸性电解质，多采用36%的H2SO4水溶液作为电解质。

2.碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。

3.中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。

有机电解质

通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。

优点

1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；

（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；（4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；（8）检测方便，剩余电量可直接读出；（9）容量范围通常0.1F--1000F。

法拉（farad），简称“法”，符号是F1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A·S。

1库仑=1安培·秒1法拉=1安培·秒/伏特

燃料电池

燃料电池（FuelCell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。

它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污