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锂离子电池内的化学反应

钜大LARGE  |  点击量:7115次  |  2018年05月25日  

摘要
数码产品和智能设备的发展给我们带来了更加便利的生活,但这些产品的增加也引发了一些问题,频繁的充电让很多朋友感到麻烦,新闻中出现的燃烧事故也让很多用户在选购产品时更为谨慎。

  数码产品和智能设备的发展给我们带来了更加便利的生活,但这些产品的增加也引发了一些问题,频繁的充电让很多朋友感到麻烦,新闻中出现的燃烧事故也让很多用户在选购产品时更为谨慎。

  本文就为您介绍我们在日常生活中接触到的锂离子电池,以及不同锂离子电池的工作原理,一起来分析他们的功能性和安全性能到底如何。

  需要注意的是,我们常说的18650电池指的是电池的外形尺寸,而聚合物电池则是按照锂电池中电解质性状分类的一种,两者不是非此即彼的关系,这两种分类方式也不在本文的探讨范围。

  锂离子电池按照正极材料主要可以分为镍锂电池(LiNiO2)、镍钴锂电池(LiNi0.8Co0.2O2)、锰锂电池(LiMn2O4)、三元电池(LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2)以及磷酸铁锂电池(LFP)。锂离子电池的负极材料多为石墨。

  2充放电一致的化学反应

  由于不同的正极材料有不同的特性,所以不同的锂离子电池也会在不同方面存在差距,另外正极材料的不同也直接导致锂离子电池的成本不一,同样会影响其使用范围。

  以LiCoO2为例,锂离子电池在充电时发生的反应为:

  正极反应:LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-

  负极反应:6C+XLi++Xe-=LixC6

  总反应:LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

  锂离子电池的工作原理基本上一致,正极材料的不同并不会导致电池内的反应有本质差别,电池的充放电都是锂离子(Li+)在电解质中运动,从而存储电能或放出电能。

  锂离子电池的嵌入和脱嵌示意

  不同电池都是锂离子的运动:充电时时锂离子从负极运动到正极,这个过程称为“嵌入”;在放电时,锂离子则从正极运动到负极,这个过程为“脱嵌”。

  对不同锂离子电池的对比可以看出不同电池的特性:

  三元电池的典型正极材料为LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2,电池的能量值最高,其成本也较低,不过安全性略差,寿命最长,功率也较大。

  镍钴锂电池的典型正极材料为LiNi0.8Co0.2O2,电池的能量值仅次于三元电池,安全性较差,优点是寿命长,成本最低,功率也较大。

  磷酸铁锂电池的典型正极材料为LiFePO4,电池的能量值相对最低,但安全性最好,寿命长,功率最大,成本也更高。

  锰锂电池的典型正极材料为LiMn2O4,电池的能量值较低,安全性很好,功率最大,缺点是寿命短,而且成本高。

  3各具特色的实用应用

  根据不同的电池对比我们也可以发现,正极材料的不同使得电池在不同的特性方面都有不一样的表现,也使得电池在应用方面存在区别。

  三元电池的能量值最高,寿命最长,功率也最大,同时拥有低成本的优势,使其可以用在需要高密度能量的领域中,尤其在电动汽车等需要更高续航能力的地方。

  镍钴锂电池的成本最低,功率也较大,电池的能量值仅次于三元电池,在需要控制成本的地方有更好的表现,很多移动电源和手电中使用的就是镍钴锂电池。

  磷酸铁锂电池的安全性最好,寿命更长,但其成本更高,使得磷酸铁锂电池主要应用在对使用时间及循环次数有更高要求的地方,如果对安全性的要求最高,同时不考虑成本,同样可以优先选择磷酸铁锂电池。

  锰锂电池的安全性很好,功率最大,主要作为动力电池使用,多数用在电动自行车以及电动模型上,不过锰锂电池的缺点也比较多,一方面电池的能量值相对较低,寿命也较短,另一方面电池的成本高,也使得其应用较少。

  需要说的是,虽然我们提到了不同锂离子电池的安全性能,但这并不代表安全性低的电池会经常出问题,这只是相对的比较分析,目前锂离子电池的技术已经趋于成熟,安全性都有很好的表现,庞大的使用量也是印证。

  总的来说,目前不同的锂离子电池都在现有的技术上在成本和实用性之间找到了平衡,不同领域选择不同的锂离子电池也是从实际需求出发的。另外,锂离子电池技术的成熟使得成品电池的一致性更佳,也可以为用户提供更好的用电支持,也将在更大的领域发挥作用。

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