你必須知道的鋰離子電池原理!

2021-01-12 化學課外


LiCoO2 + 導電劑 + 粘合劑 (PVDF) + 集流體（鋁箔）


石墨 + 導電劑 + 增稠劑 (CMC) + 粘結劑 (SBR) + 集流體（銅箔） 



一個電源給電池充電，此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極「跳進」電解液裡，「爬過」隔膜上彎彎曲曲的小洞，「遊泳」到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。



放電有恆流放電和恆阻放電，恆流放電其實是在外電路加一個可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恆阻放電的實質都是在電池正負極加一個電阻讓電子通過。由此可知，只要負極上的電子不能從負極跑到正極，電池就不會放電。電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路不同，放電時，電子從負極經過電子導體跑到正極，鋰離子Li+從負極「跳進」電解液裡，「爬過」隔膜上彎彎曲曲的小洞，「遊泳」到達正極，與早就跑過來的電子結合在一起。



電芯正極採用LiCoO2 、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一種層結構很穩定的晶型，但當從LiCoO2拿走x個Li離子後，其結構可能發生變化，但是否發生變化取決於x的大小。


通過研究發現當x >0.5時，Li1-xCoO2的結構表現為極其不穩定，會發生晶型癱塌，其外部表現為電芯的壓倒終結。所以電芯在使用過程中應通過限制充電電壓來控制Li1-xCoO2中的x值，一般充電電壓不大於4.2V那麼x小於0.5 ，這時Li1-xCoO2的晶型仍是穩定的。


負極C6其本身有自己的特點，當第一次化成後，正極LiCoO2中的Li被充到負極C6中，當放電時Li回到正極LiCoO2中，但化成之後必須有一部分Li留在負極C6中心，以保證下次充放電Li的正常嵌入，否則電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實現：安全充電上限電壓≤4.2V，放電下限電壓≥2.5V。


記憶效應的原理是結晶化，在鋰電池中幾乎不會產生這種反應。但是，鋰離子電池在多次充放後容量仍然會下降，其原因是複雜而多樣的。主要是正負極材料本身的變化，從分子層面來看，正負極上容納鋰離子的空穴結構會逐漸塌陷、堵塞；從化學角度來看，是正負極材料活性鈍化，出現副反應生成穩定的其他化合物。物理上還會出現正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數目。


過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結構出現塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結構裡去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。


不適合的溫度將引發鋰離子電池內部其他化學反應生成我們不希望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負極之間設有保護性的溫控隔膜或電解質添加劑。在電池升溫到一定的情況下，複合膜膜孔閉合或電解質變性，電池內阻增大直到斷路，電池不再升溫，確保電池充電溫度正常。



1.1 正極配方：LiCoO2+導電劑+粘合劑+集流體（鋁箔）



鈷酸鋰：正極活性物質，鋰離子源，為電池提高鋰源。非極性物質，不規則形狀，粒徑D50一般為6-8 μm，含水量≤0.2%，通常為鹼性，pH值為10-11左右。


錳酸鋰：非極性物質，不規則形狀，粒徑D50一般為5-7 μm，含水量≤0.2%，通常為弱鹼性，pH值為8左右。


導電劑：鏈狀物，含水量< 1%，粒徑一般為 1-5 μm。通常使用導電性優異的超導碳黑，如科琴炭黑Carbon ECP和ECP600JD，其作用：提高正極材料的導電性，補償正極活性物質的電子導電性；提高正極片的電解液的吸液量，增加反應界面，減少極化。


PVDF粘合劑：非極性物質，鏈狀物，分子量從300,000到3,000,000不等；吸水後分子量下降，粘性變差。用於將鈷酸鋰、導電劑和鋁箔或鋁網粘合在一起。常用的品牌如Kynar761。


NMP：弱極性液體，用來溶解/溶脹PVDF，同時用來稀釋漿料。



1.2 負極配方：石墨+導電劑+增稠劑（CMC）+粘結劑（SBR）+ 集流體（銅箔）導電劑（Carbon ECP）：1.0%(科琴超導碳黑)粘結劑（SBR）：2.25%(SBR = 丁苯橡膠膠乳）增稠劑（CMC）：2.25%(CMC = 羧甲基纖維素鈉）a) 負極黏度控制5000-6000cps（溫度25轉子3）



石墨：負極活性物質，構成負極反應的主要物質；主要分為天然石墨和人造石墨兩大類。非極性物質，易被非極性物質汙染，易在非極性物質中分散；不易吸水，也不易在水中分散。被汙染的石墨，在水中分散後，容易重新團聚。一般粒徑 D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規則，主要有球形、片狀、纖維狀等。


a) 提高負極片的導電性，補償負極活性物質的電子導電性。d) 利用導電材料的吸液能力，提高反應界面，減少極化。（可根據石墨粒度分布選擇加或不加）。

添加劑：降低不可逆反應，提高粘附力，提高漿料黏度，防止漿料沉澱。增稠劑/防沉澱劑（CMC）：高分子化合物，易溶於水和極性溶劑。異丙醇：弱極性物質，加入後可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑網狀交鏈，提高粘結強度。乙醇：弱極性物質，加入後可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，提高粘結強度（異丙醇和乙醇的作用從本質上講是一樣的，大批量生產時可考慮成本因素然後選擇添加哪種）。


水性粘合劑（SBR）：將石墨、導電劑、添加劑和銅箔或銅網粘合在一起。小分子線性鏈狀乳液，極易溶於水和極性溶劑。


去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，酌量添加，改變漿料的流動性。



來源：摘自《鋰程碑》編輯部，致謝！

06. 高中化學必備1000個flash動畫

08. 2019高考全部九套試卷化學題答案+解析

09. 2019全國各地中考化學試卷(共180份打包)

10. 九年級化學說課稿、教案、導學案(上下冊全套)

12. 初高中化學銜接資料合集（教材+作業+學案+實驗+課件）

13. 高中化學必修1、2+選修4說課稿、課件等

20. 高中化學教材全部實驗和模型視頻！

21.  高中化學三版本各模塊全套電子課本

22. 微課製作從基礎到進階視頻教程

   更多資源，點擊【閱讀原文】

相關焦點

  • 鋰離子電池原理
    ，因為在所有這些涉及「鋰」的電池理論中，鋰離子電池原理是一條貫穿三者的紐帶，具有承前啟後的作用。由於作為正極材料的含鋰化合物及電解液不同，因而，有基於不同材料的鋰離子電池原理。近年來，人們常說的鋰聚合物電池是在液態鋰離子電池的基礎上發展而來的，它的出現使鋰電池進入到第三個階段，由於鋰聚合物電池是鋰離子電池電解液由液態改進到固態或者凝膠態的電池，因而，它的工作機理並沒有脫離鋰離子電池原理體系，而只是改進了鋰離子電池原理。
  • 你應該知道的鋰離子電池原理及工藝(上)
    來源： 新能源前線蘭州大學團隊鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌來工作。隨著能源汽車等下遊產業不斷發展，鋰離子電池的生產規模正在不斷擴大。本專題分為上、下兩個部分，其中上篇重點關注鋰離子電池的原理、配方和工藝流程。下篇講解鋰電池的製作及其性能，本文系本專題上篇。
  • 新能源汽車「鋰離子電池」你知道多少
    新能源汽車越來越火，朋友們都知道這個車是用鋰離子電池的，大約很多人在閒聊的時候也就知道這些了，然後再往下聊，就聊不下去了，不像跟朋友狂侃鼓勵機技術那麼爽，那麼舒展今日這篇文章就讓朋友們以後跟朋友侃電池技術也能如數家珍，以後朋友買電動車都問你，讓你倍有面子！為什麼電動車選用鋰離子電池？
  • 電池是如何放電?鋰離子電池又具有什麼優勢?帶你了解電池原理
    基本上我們用的所有的電都是來自發電廠的電，家裡的大型家電由於不會經常移動，因此，都是插著插座，隨時可以使用，當我們需要使用經常拿動的電子產品時，不能時時刻刻插著插座，因此需要使用電池來為我們提供電力，關於電池你是否有很多疑問？那麼我們就來詳細了解。
  • 鋰離子電池內部結構及充電原理
    正極---採用能吸藏鋰離子的碳極，放電時，鋰變成鋰離子，脫離電池陽極，到達鋰離子電池陰極。一般採用嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。負極----材料則選擇電位儘可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物。
  • 漲知識:淺談鋰離子電池工作原理
    鋰離子電池工作原理　　鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。　　當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
  • 淺談鋰離子電池工作原理,不懂快來看哦~~
    導讀：在我們的日常生活中，鋰離子電池是非常常見的，例如我們使用的手機、筆記本、平板等設備都是靠著它工作的，但是你懂它的原理嗎?
  • 盤點:第一性原理計算在鋰離子電池領域的應用
    另一方面，由於近年來智能電網及大規模儲能領域的發展對鋰離子電池的能量密度和功率密度提出了更高的要求，這使得開發具有高能量密度和大功率密度的新型鋰離子電池尤為重要。第一性原理計算方法即從頭算（ab initio）被廣泛應用在化學、物理、生命科學和材料學等領域。
  • 哪些原因會導致鋰離子電池爆炸?帶你詳細分析其中原理
    鋰離子電池現在已經廣泛的使用在我們所用的電子產品中，從以前的鉛蓄電池到現在的鋰離子電池，不僅電池的體積變小了，而且能夠儲存的電量也變多了，給我們的生活帶來了非常大的方便。但給我們帶來便利的同時，也帶來一些安全隱患，新聞中偶爾會有一些關於鋰電池爆炸的報導，那麼鋰電池為什麼會爆炸，我們今天就來詳細分析其中的原因。
  • 第一性原理計算在鋰離子電池領域的應用盤點
    作為化學儲能裝置，鋰離子電池1以比功率高、能量密度大、壽命長、自放電率低和貯藏時間長等優點，被廣泛應用於可攜式電子設備、航天、軍事裝備及電動交通工具。目前，鋰離子電池已逐步替代其他電池為主要的動力電池。
  • 【動力電池網·乾貨】鋰離子電池爆炸原理、充放電過程
    今天咱們通過一個動畫來簡單的了解一些鋰離子電池工作原理：充電過程一個電源給電池充電，此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極「跳進」電解液裡，「爬過」隔膜上彎彎曲曲的小洞，「遊泳」到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。
  • 關於鋰離子電池,你所不知道的一些事兒
    CRISPR的可能機制示意圖 | 來源：Wikipedia鋰離子電池得諾獎確實是眾望所歸。鋰離子電池現在已經深入到了生活中的方方面面，它讓電子設備更加輕量、續航更加持久，比如你現在能用手機刷這篇文章就離不開鋰離子電池。我們現在的生活已經離不開鋰離子電池，大家對它的原理、歷史之類的都比較熟悉了，那麼小編今天就劍走偏鋒，來給大家聊一聊鋰離子電池少為人知的一面。
  • 汽車動力電池解析:手把手帶你認識鋰離子電池(一)
    本文將《手把手帶你認識鋰離子電池》，該文章共分為四篇，我們將分期發表，其為第一篇。　　本文不科普電池的基本原理和發展歷史，有興趣的請百度查詢，這裡頭有很多故事。物理學和化學領域的基礎理論，被愛因斯坦之前的那一波人基本上搞得七七八八了，電池跟這兩個領域直接相關，與電池有關的理論，在二戰之前就已經研究的差不多了，二戰以後並無大的創新。
  • 電瓶修復——鋰離子電池充電與放電的工作原理
    打開APP 電瓶修復——鋰離子電池充電與放電的工作原理 發表於 2019-07-01 18:53:22 負電極（陽極）發生還原反應，同時吸收電子和鋰離子。電子和鋰離子在負電極的晶體結構中形成電池中性。
  • 鋰離子電池修復儀的設計原理及製作過程
    設計原理　　(一)手機電池的介紹　　現在一般手機電池中均採用的為鋰離子電池。主要因為鋰離子電池是鋰離子(Li-Ion)和鋰聚合物(Li-Pol)，電池具有重量輕，容量大，內阻小的特點。　　鋰離子在充電過程中需要注意不能過充電和過放電，它有自身的最低電壓和最高電壓，一般最低電壓在2.2V到2.3V之間，最高電壓在4.2V到4.3V之間，所以我們在設計電路時需要注意設置放電終止電壓和充電終止電壓。　　(二)設計思路　　該設計電路主要分為放電和充電兩個階段。一般的充電器只是對電池進行簡單的充電，而該修復儀多了一個放電過程。
  • 鋰離子電容器與鋰離子電池、超級電容器有什麼區別?工作原理詳細概述
    其工作原理與鋰離子電池、超級電容器有所不同。固定布局                                                        工具條上設置固定寬高背景可以設置被包含可以完美對齊背景圖和文字以及製作自己的模板鋰離子電池是繼鎘鎳、氫鎳電池後發展最快的二次電池。
  • 純電動汽車鋰離子電池工作原理與市場研究
    而動力電池系統是制約續航能力及動力性能的關鍵技術問題。在此，本文擬針對電動汽車的電池系統的發展現狀進行一定的介紹。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/368086.htm　　目前，純電動汽車上使用的動力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。其電池的反應原理圖如下圖（a）（b）（c）所示，其基本性能如下所述。
  • 磷酸鐵鋰離子電池充放電原理以及方法是什麼
    文章來源：鉅大鋰電進群交流 | 鋰電江湖技術交流，關注本公眾號後，添加文末主編微信，備註「進群交流」；資料領取 | 獲取本文原版資料，關注本公眾號後，添加文末主編微信，備註「資料領取」；磷酸鐵鋰離子電池充放電原理
  • 手把手帶你認識鋰離子電池
    二、鋰離子電池的基本原理　　1.如何選擇能量的載體　　首先大家會問，為什麼選擇鋰元素作為能量載體？　　好吧，雖然我們不想去回顧化學的知識，可是這個問題必須得去元素周期表找答案，好在，大家總還記得元素周期表吧？！實在不記得，我們就花一分鐘來看看下面的表吧。
  • 鋰離子電池的的原理、配方和工藝流程
    鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌來工作。隨著新能源汽車等下遊產業不斷發展，鋰離子電池的生產規模正在不斷擴大。本文以鈷酸鋰為例，全面講解鋰離子電池的的原理、配方和工藝流程,鋰電池的性能與測試、生產注意事項和設計原則。