子电池的成本能逐步降低的话,那么将来它必然会作为新型电子产品的电源。未来,我们将会研发出高能量和高性能的锂离子电池。伴随着锂离子的安全性,简便性,高容量性的锂离子电池的推广,未来锂离子二次电池将会成为电子产品企业必不可少的元件。
之前,对诺基亚、索尼相关电子产品公司紧急召回手机,笔记本电池事件,业 内专家分析认为锂离子电池会是而今最好的,安全性能最高的选择,目前即使很多企业仍在开发燃料电池以期待它能替代锂离子电池,但是结果表明,便于携带的燃料电池依照目前的技术还达不到商用标准,而且它的安全性也并不是100%,而且业内分析人士Geoff Blaber指出在未来的3到5年时间内像这样这种情况不会有太大的变化,即使有可能它的标准会达到商用标准,但让它在在手机,笔记本等电子产品当中的普及也需要一段很长的时间,所以在未来的几年,我们不用担心会有其他电池产品会对锂离子电池进行替代。
当前,研究锂离子电池还有很多现实意义,比如在人类还没有找到理想的燃料来替代石油和煤等核心能源之前,锂离子电池的技术将会是一个比较好的过度性技术,虽然锂离子电池不能自己产生电能,但是它却可以储存携带能量,并且能把能量从一个地方传到另一个地方,这就会减小人们对石油、煤等不可再生资源的消耗。而且我们现在日常生活中用锂电池的地方特别多,我们常用的手表,它的电池可以说大部分都是用锂离子电池做成的,笔记本电脑也不例外,现在还有一部分电动车也在开始用锂离子,军用手电筒,电棍等现在都是用锂离子电池,所以我们会得出这样一个结论,只要有能用到移动电源的地方,都有用到锂离子电池的可能。
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2 锂离子电池的概念及性能分析
2.1 锂离子电池的工作原理与优缺点
锂离子电池它是由嵌入化合物的正极材料和负极材料构成的电池,电池在充放电的循环过程时,锂离子会在正极与负极间进行交换,由于这个原因,锂离子电池同样被称为摇椅电池,就是锂离子电池在充放电过程中,它在正极与负极之间做来回的迁徙运动[3]。它的正极材料主要是由具有层状结构的石墨化碳材料组成,铜箔集流体上会涂覆这种材料。负极材料是一种典型的石墨化碳材料制成,电池在充电时,正极材料会被氧化,负极材料会被还原,而就在此时正极材料中的锂离子会脱嵌出来,随即会及嵌入到负极材料中,而放电过程则相反。因为锂离子在正负极中有相对固定的空间和位置,所以锂离子电池充电反应的可逆性很好。
锂离子电池的优点表现在如下十个方面[4]:
(1) 单体锂离子电池工作的电压较高,高达3.6V,锂离子电池是镍氢和镉镍电池的3倍,这就是说,组装成电压的电池组它所需的单体电池会较少。
(2) 锂离子电池它的容量较大,它的容量为同等镉镍电池的两倍。 (3) 锂离子电池重量比能量和体积比能量都比较高,通常情况下锂离子电池的比能量比其它各类电池要高出1倍以上。
(4) 锂离子电池它的工作温度范围宽广,它具有很好的高低温放电性能,一般情况下能在-20到55°C内正常工作。
(5) 锂离子电池荷电保持能力强,以开路形式存放在温度为(20±5) °C环境下,然而一个月后,它在常温下放电容量会大于额定容量的85%。
(6) 锂离子电池它的内阻不会随着电池的充放电而出现明显变化,而且仅在电池剩余量过高或过低时才会出现较大的变化。
(7) 锂离子电池循环寿命一般很长,通常在常温下,100%DOD (放电深度)就可以达到600到800次,而80%DOD (放电深度)可达1000次,会远远高于其他电池。
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(8) 锂离子电池它的安全性能高,具有在抗短路,抗过冲以及在过放的条件下会出现自保护的功能,与此同时还回出现防振动,不起火,不爆炸等优点。
(9) 锂离子电池具有无记忆效应和可快速充电和放电的功能。这是由于它的阳极是用特许的碳电极组成,可以在1C充电率的条件下还能进行快速充电及放电,其安全性能大大提高。
(10) 锂离子电池具有体积小、质量轻以及无环境污染功能。因为其中不含铅、汞、镉等有害物质,它是一种清洁无污染,可再生的环保型的\绿色\电池。
尽管锂离子有这么多的优点,但是锂离子电池的缺点也不可避免,其表现在以下几个方面:
(1) 它是采用有机溶液作为电解液,因此锂离子电池内阻相对其它电池而言要大。
(2) 锂离子电池的工作电压变化大,电池放电到接近于额定容量时,它的电压变化将会是镉镍电池的两倍。
(3) 锂离子电池需要有保护电路,以防止整组电池中个别电池出现过度充电以及过度放电的情况。
(4) 目前,锂离子电池价格相对其它电池来说成本价格较高,也就妨碍了大量的锂离子电池的出现。
但通过比较而言,锂离子电池的这些缺点与它的优点相比,它的这些缺点都不是大问题,尤其是应用在高科技电子产品和环保型电子产品中。
2.2 锂离子电池的性能分析
(1) 锂离子电池容量
锂离子电池它的容量是说满电状态的锂离子电池在特殊条件下锂离子电池进行放电到放电终止电压时它所输出的电量[5]。锂离子电池的容量可以分为理论容量、额定容量及实际容量。其中理论容量是说锂离子电池内部活性物质假设全部都参加反应的条件下,依照法拉第定理计算得到的最大值,其值为
Co=26.8nmo/M=mo/q (2-1) 式中
mo—所有锂离子电池内部活性物质的质量;
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M—为电池内部活性物质的摩尔质量; q—电池内部活性物质的电化学当量; n—化学反应的得失电子数;
其次它的额定容量是说我们对电池进行研究的时候,要保证在特定的放电条件下,锂离子电池能放出的最低限度的电量。最后实际容量是指锂离子电池在特定的放电条件下它所能放出的电量,锂离子电池的实际容量会受很多因素的影响,比如温度,放电电压,放电电流,电池老化程度等等,它的数值会远远小于理论值。通常情况下:理论容量大于实际容量,而实际容量大于额定容量[6]。
一般情况下,我们都是用电池的荷电状态(SOC)来说明电池容量的转变,也就是说电池在特定放电倍率下,它的剩余电量与同样条件下额定容量的比值。
(2) 电池能量和电池比能量[7]
在特定的放电条件下,电池的能量是指锂电池所输出的能量,通常用工作电压乘以电流得出来的结果在时间上的积分来说明。电池比能量指出的是电池输出的能量在其重量或体积上的反映,电池比能量反映的是电池的质量,不同系列的电池它的质量水平不一样。
(3) 电池内阻
电池内阻是锂离子电池的一个很重要参数,由于电池内阻的存在以及电池在充电时它的端电压会大于它的开路电压与电动势,又由于电池在放电时它的端电压会小于它的开路电压和电动势。所以电池在放电的时候它的工作电压较高,而且时间长,工作温升低,但是当电池内阻变大时,它的情况却刚好相反,这将不会利于电池的性能与寿命。
(4) 电池的自放电率[8]
锂离子电池的自放电率是指在没有外部负荷的条件下,电池在存放的过程中自行消耗的速度,其值为单位时间内它自行放电消耗的容量比上它存储前容量,一般用百分数表示,电池自放电率的大小反映了电池它的荷电保持能力,通常来说,其温度越大它的自放电率就越大,对于不同类型的电池,它的自放电率也会不同,例如,锂离子电池的自放电率为2%到5%/月,而镉镍、镍氢电池却达到了20%到25%/月。
(5) 电池充电效率
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在一定的条件下,电池的充电效率是指电池放电放至某一电压是输出的容量比上在充电时输入的电池容量得出的比值。也可以按照以下的公式來计算:电池充电效率=(放电电流*放电至截止电压的时间/充电电流*充电时间)*100%。由上式可以看出,电池充电效率波及充电所需要的时间和它的运行成本,因此电池的充电效率是一个很重要的参数。
(6) 电池的循环使用寿命
在一定的充放电条件下,电池的循环使用寿命是说当电池容量放电放到额定容量的80%时,它所经历的充放电循环总的次数。然而在实际中,常用电池SOH指的是电池的使用寿命。它的使用寿命和它的制作工艺、充放电过程以及使用维护有密切的关系。
(7) 放电深度
在放电过程中,放电深度是指电池放电放出的容量比上其额定容量的值,它是一个百分数,如果电池放电深度越深,它的使用寿命越短。
(8) 记忆效应
假如电池长期不彻底充电放电的情况下,就会在电池内留下痕迹,就会降低电池容量,镉镍电池有记忆效应,但是锂离子电池则没有。这就是电池的记忆效应。
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