浅谈如何正确使用锂离子电池

2018-12-21      203 次浏览

锂离子电池以其比能量高、功率密度大、循环寿命长、自放电小、性价比高等优势已经成为当代便携式电子产品的可再充式电源的主要选择对象,可广泛应用于通讯、交通、机动车辆、军事、计算器具和家用电器等诸多方面。对锂离子电池而言,其主要构成材料包括电解液、膈膜、正负极材料。不仅要对它的电化学性能有所了解,更要注意对锂离子电池的使用方法,正确得当的使用锂离子电池,将让人们的生活变得更加方便快捷。


1锂离子电池的工作原理


下图为正极、石墨为负极为例的工作原理图。


一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成,外加正负极引线,安全阀,PTC(正温度控制端子),电池壳等。一般来讲,锂电池种类很多,但它们的工作原理基本相同。在充电时,锂离子脱离正极材料,再通过隔膜以及电解液,再进入负极材料,放电过程正好跟充电相反。以常见的液态锂离子为例,当以石墨为负极材料,以为正极材料时,其充放电原理为:


正极反应:.


负极反应:.


电池总反应:.


电池放电为上述的相反过程。


2生活中常见的几种正极材料


1.1的晶体结构


具有高的能量密度,优异的循环性能,是目前工业上最广泛使用的锂电池正极材料。有三种物相,分别为层状结构、尖晶石结构的和岩盐相。层状的中氧原子采取畸变的立方密堆积,锂和中心过度金属原子分别形成与氧原子层平行的单独层,层和层交替分布层两侧,占据八面空隙,通过它们的相互层叠堆积形成六方晶系的超点阵,所以层状的框架结构可为锂原子提供二位的迁移通道;尖晶石结构的氧原子为理想立方密堆积排列,层中含有25%钴原子,层含有25%锂原子。岩盐相晶格中和随机排列,无法清晰地分别出锂层和钴层。所以在正极材料的应用中通常不采用岩盐相的。同时由于锂层中的钴原子会阻碍锂原子的可逆脱嵌,造成中的传质速度变慢,而脱锂时的反应活性高,容易在电极表面形成钝化膜,所以材料的实用化也难以实现。


2.1的晶体结构


具有规整的橄榄石结构,属于正交晶系(,),每个晶胞中有四个单元。其结构如下在中,氧原子以稍微扭曲的六方紧密堆积方式排列,和各自处于氧原子八面体中心位置,形成八面体,只不过占据的是共角的白面体位置而占据的是共边的八面体位置。交替排列的八面体、八面体和四面体形成层状空间骨架。由于近乎六方堆积的氧原子的紧密排列,使得锂离子只能在二维隧道内迁移,也因此具有了较高的理论密度()。该材料中和以强共价键牢固结合极大地稳定了材料的晶体结构,从而使材料具有很高的热稳定性。许多研究表明:具有稳定有序橄榄结构的晶体是较理想的锂电池正极材料。


2.2的电化学性能


在纯相的橄榄石结构晶体结构中,相对金属锂的电压为3.4V,理论容量为170,实际容量可达到160左右。在充电过程中很稳定,不必考虑温度变化度晶体结构的影响,且它的充放电曲线平台很长。充电时,锂离子从层面间迁移出来,经过电解进入负极,发生的氧化反应,为保持电荷平衡,电子从外电路到达负极。放电时则发生还原反应,与上述过程相反。的正极嵌脱锂的反应时两相反应:


正极反应:


负极反应:


3.1的晶体结构


系形成的化合物较多,可作为正极材料的主要有、、和,这些化合物在合成和充放电过程中,容易发生结构转变,对材料的电化学性能产生不利的影响。这里介绍尖晶石型中股价构型,该骨架是四面体以及八面体共同面的三维网络,这种网络有利于其中原子的扩散,如下图所示。


尖晶石属于空间群,锂原子占据了四面体(8a)位置,锰原子占据了八面体(16d)位置,氧原子占据了面心(32e)位,因此,该结构可以表示成为。由于普通面心立方结构的边长是尖晶石结构的晶胞边长的一半,因此可以把尖晶石结构认为是一个复杂的立方结构,包含了八个普通的面心立方晶胞。所以,一个尖晶石的晶胞包含有32个氧原子,16个锰原子占据32个八面体间隙(16d)的一半,另一半八面体(16c)侧空着,锂占据64个四面体间隙位(8a)的1/8。可知,锂原子通过空着的相邻四面体和八面体间隙沿8a-16c-8a的通道在的三维网络中脱嵌。正是由于具有这种的正尖晶石结构且锂锰氧化物资源丰富、毒性低,才使它在众多锂离子电池正极材料中脱颖而出,被认为是最有应用前景的4V锂离子电池正极材料。


3.2的电化学性能


4V电池,理论容量为148循环200次后比容量保持在100以上。它的主要缺陷是:(1)在电解液中,容易发生歧化反应生成溶解于电解液中,造成活性物质损失;(2)在深度放电过程中,锰的平均价态为3.5时会发生姜-泰勒效应,导致晶体的对成型从立方晶系逐渐转变为四方晶系;(3)电解液与电极之间在充放电过程会消耗,导致两电极间容量平衡发生改变是整个电池的比容量降低。从而导致电池经过多次循环后发生电容量衰退。因此克服循环容量衰减是研究锂离子正极材料重要工作。


3锂电池的使用常识


锂离子电池,具有重量轻,容量大,寿命长的特点,是目前手机电池的最佳选择,正确的使用锂电池,能更加充分发挥它的优势和使用寿命。


1.1锂电池的激活


锂离子电池激活的时间无需太过长。如果从锂离子电池的性能特征和锂离子电池的工作原理来看,这个说法毫无疑问是对的。


锂离子电池本身要经过恒压充电,在它出厂以前,然后放电,如此进行循环,使电极充分淹没电解液,充分活化,以容量达到所要求目的为止,这个叫做激活过程,这样出来的锂离子电池到用户手上已经是激活过的了。可是存在一个不可避免的问题,就是电池厂出厂的电池到用户手上,在这个时间段里面是难以确定的,有时可能是很短的,或许就一两个月,但也有可能是非常的,能达到半年或者一年更久。如果是像刚才说的很长的时间的话,那么电池的电极材料将产生钝化,因此,锂离子电池在第一次用它时,将它进行激活还是非常需要的。所以,厂家一般也建议:对首次使用的锂电池最好进行1到3次完全充放电过程(这里的完全放电不可理解为过度放电)以便对有可能钝化的电极材料进行消除,达到最大容量。之后,电池就可以即充即用了,只有在长时间不用后才需要再次进行完全充电和放电,让它恢复活力。


2.1锂电池的寿命


锂离子电池的使用寿命与镍镉电池以及镍氢电池的寿命都不同,镍镉和镍氢是以充电的次数来计算,锂离子电池的使用寿命是以充放电周期计算的,这个周期指的是锂电池在做一次完整的充放电的过程。锂离子电池的使用寿命在出厂时就已经确定了,同一个品牌同一个种类和批号的产品,他们的使用长短,也就是充电放电的周期数是相同的。


锂离子电池充放电的循环次数,一般在500次到1000次。依据“总规范”,锂离子电池的充放电的循环次数不会低于300次,“总规范”对电池循环次数试验有严格的规定。不同的循环制度得到的循环寿命次数是不同的,在低放电深度下锂离子电池的循环寿命可达上万次。


所以,锂离子电池不存在记忆效应的说法、并且锂电池在低放电、少放电下循环充放电的情况下,循环次数可达上万次。


3.1锂电池充电器


一方面,镍镉电池、镍氢电池的充电方法与锂电池的充电方法是完全不一样的,因此,镍镉电池、镍氢电池的充电器不能与锂电池的充电器共用一个。


另一方面,锂电池之间也有种类区别,由于锂电池的性能以及参数不的不一样,锂离子电池充电器的参数也各不一样,因此,一般情况下,各种规格的锂离子电池必须使用配套、专用的充电器充电,充电器之间不能通用。


有人可能会这么认为,让锂离子电池充电器对各种种类的锂电池都能使用,但是,这些充电器,是要安装单片机作为核心部件,它才能通用各种电池的,并且像这种充电器价格昂贵也不方便携带。


所以,锂离子电池充电器一般是不能通用,不同规格的锂离子电池需要配套、专用的充电器充电。


4.1锂电池的快充与慢充


快速充电的锂电池,电池各种性能的衰减速度加快,不但电池不会充满、充足,而且若不注意,还有可能引起过充、热失控。


倘若对锂电池进行标准充电方式的充电,不但使电池充足电,也会降低对电池性能的影响。


因此,我们应当尽量使用标准方式对锂电池进行充电,慢充跟快充的结果是不一样。


5.1锂电池的过充与过放


锂离子电池一般来讲不可以过度充电和过度放电,这将对锂电池的正负极材料造成不可修复的损坏。此外,充电时如果产生过高的温度,也将会导致锂电池的损害,所以在不少的锂电池正负极之间都会设有保护性的电解质或温度控制隔膜添加剂。在电池升温到一定的情况下,电解质或复合膜膜孔变性,电池内阻将会增大直到断路,电池停止升温,确保电池充电温度正常。一般来讲,锂电池配套的充电器通常都会有充放电的控制电路装置,当电池充满时,电路会自动断开,为保护锂离子电池,指示灯将自动熄灭。这样,当你给锂离子电池充电时,即使忘记及时拔下锂电池充电器,也不用担心锂电池会过充或者过热而损坏电池。这个时候插不插上电源其实已经没有区别了。但是,如果你的充电器不是自动断开的保护装置电路,那么,你的电池一旦充电完成时,必须及时切断电源插头,以避免锂离子电池因过充或高温而损坏。


6.1锂电池的保养


保养方法:①其实不需要刻意使锂电池每一次都是在电力用尽后再充,外出前可以将电池充满电,带上一块备用电池不失为一个理智的选择。②经过一段时间后,可以进行一次在保护电路控制下的深充放,以保护电池的电量。③切记锂离子电池不要过度的充电。如果你的充电器没有自动断电装置功能,那么就必须在充电完成后,自己及时拔下电源插头。否则,不但会有可能损坏电池,而且会有可能因为电池的电压过高而烧坏设备,比如说数码照相机,特别是高像素数码照相机。④如果锂电池长期不用时,应充入一定的电量以防电池在存贮中自放电过量,导致过度放电的损坏。同时,为减弱其自身内部钝化反应的速度,应存放在阴凉的地方。⑤实际上,锂离子电池在使用中,不需要考虑太多的方面,也就是说,就是顾及也没有太大的作用。一个电池能使用多久,也许差别更多的来自电池本身的性能决定,在制造中的或许就存在个体差异。


锂离子电池是一种高性能的二次绿色环保电池,具有子房电率低、使用温度范围宽且具有高电压、高能量密度(包括质量比能量、体积能量)、长的循环寿命、无记忆效应以及能够大电流充放电等优点。由于锂离子电池具有以上的优点,使得其发展相当迅速。正极材料作为锂离子电池的重要组成部分,其性能和成本对锂离子电池的进一步发展起着关键性的作用。因此,开发出廉价的具有高电压、高容量和良好可塑性的正极材料是提高锂离子电池性能的重点工作。


是目前已广泛使用的正极材料,但材料中钴的价格比较昂贵,使其只能用作小电池(照相机电池、手机电池和计算机电池等)。而锰系正极材料在价格、环境方面有独特的优势,替代已经指日可待,尖晶石型将是下一代锂电池最有希望的正极材料之一。

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