聊聊锂离子电池构成的那些事

2019-03-01      488 次浏览

在当今世界里,锂离子电池遍布在我们生活当中,其应用领域包括手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表、移动电源(充电宝)、电动自行车、电动汽车、电动公交车、旅游观光车、无人机,以及其他各类电动工具。作为众多电子设备的动力来源,可以说,离开了锂离子电池,当今的世界将会不敢想象。那么,锂离子电池到底是什么鬼?


一说到锂离子电池的构成,大家都知道锂是必不可少的组成部分,没错,就是我们化学课本元素周期表里的那个锂。但一个完整的锂离子电池可不光是只有锂,下面我们就来跟大家聊聊锂离子电池构成的那些事。


锂离子电池的基本构成


锂离子电池内部需要包含几种基本材料:正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质。那么这些材料都干嘛的呢?


正负极不难理解,要实现电荷移动,就需要存在电位差的正负极材料,那么什么是活性物质?我们知道,电池实际上是将电能和化学能相互转换,以实现能量的存储和释放。要实现这个过程,就需要正负极的材料很“容易”参与化学反应,要活泼,要容易氧化和还原,从而实现能量转换,所以我们需要“活性物质”来做电池的正负极。


电解质是干嘛的?通俗的讲,就是游泳池里面的“水”,让锂离子能够自由的游来游去,所以呢,离子电导率要高(游泳的阻力小),电子电导率要小(绝缘),化学稳定性要好(稳定压倒一切啊),热稳定性要好(都是为了安全),电位窗口要宽。基于这些原则,经过长期的工程探索,人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。有机溶剂有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。电解质锂盐有LiPF6,LiBF4等材料。


隔离膜则是为了阻止正负极材料直接接触而加进来的,我们希望把电池做的尽可能的小,存储的能量尽可能的多,于是正负极之间的距离越来越小,短路成为一个巨大的风险。为了防止正负极材料短路,造成能量的剧烈释放,就需要用一种材料将正负极“隔离”开来,这就是隔离膜的由来。隔离膜需要具有良好的离子通过性,主要是给锂离子开放通道,让其可以自由通过,同时又是电子的绝缘体,以实现正负极之间的绝缘。目前市场上的隔膜主要有单层PP,单层PE,双层PP/PE,三层PP/PE/PP复合膜等。


除了上面提到的4种主要材料之外,要想把锂离子电池从实验室的一个“实验品”变成一个可以商业化应用的产品,还需要其他一些不可或缺的材料。


我们先看电池的正极,除了活性物质之外,还有导电剂和粘结剂,以及用作电流载体的基体和集流体(正极通常是铝箔)。粘结剂要把作为活性物质的锂金属氧化物均匀的“固定”在正极基带上面,导电剂则要增强活性物质与基体的电导率,以达到更大的充放电电流,集流体负责充当电池内外部的电荷转移桥梁。


除了以上材料外,一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、壳体(铝,钢,复合膜等),以及其他一些辅助材料。


既然我们是汽车频道也要聊一些跟汽车有关的话题,目前市面上的电动车采用的锂电池主要分为三大类:


磷酸铁锂电池---代表车型:比亚迪E6


优点:磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池,它的放电效率较高,倍率放电情况下充放电效率可达到90%以上,要比低速电动汽车使用的铅酸电池高出10%,因此适合作为动力电池使用。磷酸铁锂电池的安全性也很好,可以在390℃以内的高温下保持稳定,保证了电池内在的高安全性,不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧,可以轻松通过针刺实验。而且磷酸铁锂电池不含任何重金属,对人体没有直接危害。磷酸铁锂电池使用寿命较长。磷酸铁锂电池使用80%后进行快充,可以安全达到4000至5000次,70%后,也可以保证7000-8000次,理论寿命可以达到7~8年。


缺点:相比于其他类型的动力电池,磷酸铁锂电池价格较高,而且电池容量较小,同样的电池容量,磷酸铁锂电池的重量更重、体积更大,严重影响了电动车的续航。另外,磷酸铁锂电池报废后基本上不能回收再利用,没有可回收价值。


三元锂电池--代表车型:特斯拉ModelS


优点:三元锂电池是指正极材料使用锂镍钴锰三元正极材料的锂电池,能量密度大,体积比能量较高,并且价格相对低廉。


缺点:并且无法通过针剌实验,表明三元电池在内部短路、电池外壳损坏的情况下,很容易引发燃烧、爆炸等安全事故。另外,由于材料本身的性质,导致三元锂电池在使用寿命上相对较短,同时,由于全球全球镍、钴资源紧张,其大量应用可能导致市场价格上涨,也会增加未来的用车费用。


锰酸锂电池--代表车型:启辰晨风


优点:锰酸锂电池拥有较好的安全性能,而且振实密度较大,同样体积下电池中能装下更多的物质,拥有更高的电量。由于锰元素储量高,资源丰富,生产制造锰酸锂电池的成本也较低,能降低消费者的购车成本。


缺点:由于锰的本身性质不太稳定,易分解产生气体,因此多用于和其它材料混合使用,以降低电芯成本,但其循环寿命衰减较快。同时,不稳定性也会使电池本身容易发生鼓胀。另外,与其他锂离子材料相比,锰酸锂电池的耐高温性能也较差,相对寿命也会受到影响。


sony在1992年开发出第一个锂离子电池。它的实用化,使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小。使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属铬,与镍铬电池相比,大大减少了对环境的污染。

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