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    锂离子电池

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    成龙
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    锂离子电池

    مُساهمة من طرف 成龙 في الخميس 06 ديسمبر 2012, 10:32 pm

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    本文介紹的是可重複充電的鋰離子電池。關於不可重複充電的鋰電池,詳見「鋰電池」



    锂电池:存在锂单质。
    锂离子聚合物电池:用多聚物取代液态有机溶剂。

    目录
    1 历史
    2 优点
    3 缺点
    4 充電過程
    5 保养须知
    6 电化学
    6.1 正极
    6.2 负极
    6.3 电解质溶液
    7 登机政策
    8 外部链接

    历史
    1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。
    1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,此过程是快速的,并且可逆。与此同时,采用金属锂制成的锂电池,其安全隐患备受关注,因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。
    1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。
    1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。
    1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。
    1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸锂铁(LiFePO4),比传统的正极材料在安全性和寿命方面有所进步,但低温性能和压实密度有待提高。

    优点
    高能量密度:因电极材料不同而不同,按质量计算,可达150~200Wh/kg(540~720kJ/kg);按体积计算,可达250~530Wh/L(0.9~1.9kJ/cm3)。
    开路电压高:因电极材料不同而不同,可达3.3~4.2V。
    输出功率大:因电极材料不同而不同,可达300~1500W/kg(@20秒)。
    无记忆效应:磷酸鐵鋰鋰離子電池無記憶效應,電池在未放空電的情況下可隨時充放電,使用維護簡便。
    低自放电:<5%~10%/月。智能型锂离子电池由于有内建的监测电路,这个监测电路的工作电流甚至高于自放电电流。
    工作温度范围宽:可在-20℃~60℃之间正常工作。
    充、放电速度快

    因此,锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军工产品、航空产品等。
    缺点
    衰老:与其它充电电池不同,锂离子电池的容量会缓慢衰退,与使用次数无关,而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高,所以,在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨,似乎可以延长寿命。储存温度与容量永久损失速度的关系如下:

    充电电量 储存温度0℃
    储存温度25℃
    储存温度40℃
    储存温度60℃

    40%~60%2%/年4%/年15%/年25%/年
    100%6%/年20%/年35%/年80%/6月


    • 回收率:大约有1%的出厂新品因种种原因需要回收。
    • 不耐受过充:过充电时,过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中,无法再释放,可导致电池寿命缩短。
    • 不耐受过放:过放电时(電壓小于3.0V時放電),电极脱嵌过多锂离子,可导致晶格坍塌,从而缩短寿命。
    • 需要多重保护机制:由于错误使用会减少寿命,甚至可能导致爆炸,所以,锂离子电池设计时增加了多种保护机制。

      • 保护电路:防止过充、过放、过载、过热。
      • 排气孔:避免电池内部压强过大。
      • 隔膜:有较高的抗穿刺强度,防止内部短路;在电池内部温度过高时还能融化,阻止锂离子通过,阻滞电池反应,升高内阻(至2kΩ)。




    排气孔、隔膜一旦激活,将使电池永久失效

    充電過程


    單一枚鋰離子電池的充電過程分兩階段:


    1. CC (constant current) 恆定電流充電:先以恆定電流充電,這樣會使電池電壓漸漸上升,直至電壓到達一特定數值。此特定數值的電壓視電池物料而定。
    2. CV (constant voltage) 定電壓充電:以固定電壓向電池充電,這樣充電電流會漸漸減小,直到電流小於某一程度後充電過程即完成。

    多枚串聯鋰離子電池的充電方法較為複雜,分3個階段:


    1. CC (constant current) 恆定電流充電
    2. 電量衡充 (blance charging);減小個別電池的充電量,直至各電池的充電程度(電量狀態) (SOC- state of charge)都衡等。
    3. CV (constant voltage) 定電壓充電



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