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锂离子去溶剂化过程

发布时间:2022-09-29 03:26:38

❶ 什么是锂化过程

是不是和锂反应的过程。

❷ 锂离子电池是怎样工作的

锂离子是采用含有锂元素的材料作为电极的电池,它是现代高性能电池的代表。目前,我们用的手机、笔记本电脑、数码摄像机等都是使用的锂离子电池。可以说,它现在是我们的生活和工作中不可缺少的一种电源。

锂离子电池是一种可以充电的电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。通常人们把锂离子进入正极材料的过程叫嵌入,离开的过程叫脱嵌;锂离子进入负极材料的过程叫插入,离开的过程叫脱插。锂离子电池是由锂电池发展而来。锂离子电池的能量密度很大,平均输出的电压也很高,自放电量很小,工作温度范围为-20℃~60℃,其循环性能优越,可快速充放电,充电效率高达100%,而且输出功率大、用寿命长,不含有毒有害物质,被称为绿色环保电池。而锂离子二次电池通常由电极组件、容纳该电极组件的容器以及电解液组成。

❸ 锂离子电池可接受的最大充电电流是多少望大虾指点。。。

锂电池可以接受的最大充电电流通常是1C甚至更小,像ThinkPad笔记本电池最大充电率为0.9C。所谓1C充电率指以容量的1倍率电流来充电,充电时间为1小时。

实际上,要想电池寿命长,基本上是以0.1~0.3C充电10~4H。也就是说,容量为1500mAh的电池,如果以0.2C充电,则充电电流为0.2×1500=300mA,充电5小时。

(3)锂离子去溶剂化过程扩展阅读:

锂离子电池在快速充电方面还有很大的差距,这其中的主要原因是在Li+在电解液中是以溶剂化的状态存在的,在扩散通过SEI膜并嵌入到石墨的内部时,Li+需要首先进行去溶剂化过程,而这一过程是需要消耗能量的,这就在SEI/电解液界面处形成了一道无形的势垒,阻碍Li+的快速扩散和嵌入道石墨负极内部。

而放电过程则正好相反,Li+扩散进入到电解液中,发生溶剂化,并不需要消耗能量,因此扩散锂离子电池的放电速度要远远高于充电速度。

为了实现电动汽车快速充电而不对锂离子电池的电性能造成损害,就需要对动力电池可接受的最大充电电流进行研究。过大的电流快速充电常见的后果是金属锂在负极析出,特别是在低温下,石墨负极的动力学条件变差,更容易导致金属锂在石墨负极的表面析出。

❹ 溶剂化锂离子

溶剂化锂离子就是溶剂同离子形成的配离子。

❺ 离子电池的锂离子电池电池组成部分

钢壳/铝壳系列:
(1)电池上下盖
(2)正极——活性物质一般为氧化锂钴
(3)隔膜——一种特殊的复合膜
(4)负极——活性物质为碳
(5)有机电解液
(6)电池壳(分为钢壳和铝壳两种)
软包装系列
(1)正极——活性物质一般为氧化锂钴
(2)隔膜——PP或者PE复合膜
(3)负极——活性物质为碳
(4)有机电解液
(5)电池壳——铝塑复合膜
原理解构
[1]锂系电池分为锂电池 和锂离子电池 。目前手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池。目前手机等使用的锂离子电池,而真正的锂电池由于危险性大,没有应用于日常电子产品。
锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。
锂离子电池能量密度大,平均输出电压高。自放电小,每月在10%以下。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃~60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%,而且输出功率大。使用寿命长。没有环境污染,被称为绿色电池。
充电是电池重复使用的重要步骤,锂离子电池的充电过程分为两个阶段:恒流快充阶段(指示灯呈红色或黄色)和恒压电流递减阶段(指示灯呈绿色)。恒流快充阶段,电池电压逐步升高到电池的标准电压,随后在控制芯片下转入恒压阶段,电压不再升高以确保不会过充,电流则随着电池电量的上升逐步减弱到0,而最终完成充电。电量统计芯片通过记录放电曲线可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次使用后,放电曲线会发生改变,锂离子电池虽然不存在记忆效应,但是充电不当会严重影响电池性能。
锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。
充电量等于充电电流乘以充电时间,在充电控制电压一定的情况下,充电电流越大(充电速度越快),充电电量越小。电池充电速度过快和终止电压控制点不当,同样会造成电池容量不足,实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电,这种充电不足的现象随着循环次数的增加而加剧。
锂离子电池-种类
[2][3]不可充电的锂电池有多种,目前常用的有锂-二氧化锰电池、锂—亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。
1?锂-二氧化锰电池(Li?MnO2)
锂-二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极,并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高,额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍);终止放电电压为2V;比能量大(见上面举的例子);放电电压稳定可靠;有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤2%);工作温度范围-20℃~+60℃。
该电池可以做成不同的外形以满足不同要求,它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。
可充电锂离子电池
可充电锂离子电池是目前手机中应用最广泛的电池,但它较为“娇气”,在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此,在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。 锂离子电池充电要求很高,要保证终止电压精度在1%之内,目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC,以保证安全、可靠、快速地充电。
现在手机已十分普遍,手机中一部分是镍氢电池,但灵巧型的手机则是锂离子电池。正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池,它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式,并且有由几个电池串联在一起组成的电池组。 锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关:阳极材料为石墨的4.2V;阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同,焦炭阳极的内阻略大,其放电曲线也略有差别,如图1所示。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。现在使用的大部分是4.2V的,锂离子电池的终止放电电压为2.5V~2.75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同)。低于终止放电电压继续放电称为过放,过放对电池会有损害。
锂离子电池不适合用作大电流放电,过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池生产工厂给出最大放电电流,在使用中应小于最大放电电流。 锂离子电池对温度有一定要求,工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。 锂离子电池对充电的要求是很高的,它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%(例如:充4.2V的锂离子电池,其允差为±0.042V),过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议,并要求有限流电路以免发生过流(过热)。一般常用的充电率为0.25C~1C(C是电池的容量,如C=800mAh,1C充电率即充电电流为800mA)。在大电流充电时往往要检测电池温度,以防止过热损坏电池或产生爆炸。
锂离子电池充电分为两个阶段:先恒流充电,到接近终止电压时改为恒压充电,其充电特性如图2所示。这是一种800mAh容量的电池,其终止充电电压为4.2V。电池以800mA(充电率为1C)恒流充电,开始时电池电压以较大的斜率升压,当电池电压接近4.2V时,改成4.2V恒压充电,电流渐降,电压变化不大,到充电电流降为1/10C(约80mA)时,认为接近充满,可以终止充电(有的充电器到1/10C后启动定时器,过一定时间后结束充电)。 锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时,会造成电池的损坏或降低使用寿命。
充电
第一次充电,如果时间能较长,那么可以使电极尽可能多的达到最高氧化态,如此能增长电池使用寿命。
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锂离子电池优缺点
锂离子电池具有以下优点:
1) 电压高,单体电池的工作电压高达3.6-3.9V,是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍
2) 比能量大,目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L(2倍于Ni-Cd,1.5倍于Ni-MH),未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400 Wh/L
3) 循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上.对于小电流放电的电器,电池的使用期限 将倍增电器的竞争力.
4) 安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域:Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素:部分工艺(如烧结式)的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”,严重束缚电池的使用,但Li-ion根本不存在这方面的问题。
5) 自放电小,室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。
6)可快速充放电,1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上。
7)工作温度范围高,工作温度为-25~45°C,随着电解质和正极的改进,期望能扩宽到-40~70°C。
锂离子电池也存在着一定的缺点,如:
1) 电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高(Co的资源较少),电解质体系提纯困难。
2) 不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因,电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度,一般放电电流在0.5C以下,只适合于中小电流的电器使用。
3) 需要保护线路控制。
A、 过充保护:电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命;同时过充电使电解液分解,内部压力过高而导致漏液等问题;故必须在4.1V-4.2V的恒压下充电;
B、 过放保护:过放会导致活性物质的恢复困难,故也需要有保护线路控制。
摘要:综述了锂离子电池的发展趋势,简述了锂离子电池的充放电机理理论研究状况,总结归纳了作为核心技术的锂电池正负电极材料的现有的制备理论和近来发展动态,评述了正极材料和负极材料的各种制备方法和发展前景,重点介绍了目前该领域的问题和改进发展情况。
材料
电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点,且循环寿命长、安全性能好,使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景,成为近几年广为关注的研究热点。锂离子电池的机理一般性分析认为,锂离子电池作为一种化学电源,指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。锂离子电池是物理学、材料科学和化学等学科研究的结晶。锂离子电池所涉及的物理机理,目前是以固体物理中嵌入物理来解释的,嵌入(intercalation)是指可移动的客体粒子(分子、原子、离子)可逆地嵌入到具有合适尺寸的主体晶格中的网络空格点上。电子输运锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物。电子只能在正极和负极材料中运动[4][5][6]。已知的嵌入化合物种类繁多,客体粒子可以是分子、原子或离子.在嵌入离子的同时,要求由主体结构作电荷补偿,以维持电中性。电荷补偿可以由主体材料能带结构的改变来实现,电导率在嵌入前后会有变化。锂离子电池电极材料可稳定存在于空气中与其这一特性息息相关。嵌入化合物只有满足结构改变可逆并能以结构弥补电荷变化才能作为锂离子电池电极材料。
控制锂离子电池性能的关键材料——电池中正负极活性材料是这一技术的关键,这是国内外研究人员的共识。
1 正极材料的性能和一般制备方法
正极中表征离子输运性质的重要参数是化学扩散系数,通常情况下,正极活性物质中锂离子的扩散系数都比较低。锂嵌入到正极材料或从正级材料中脱嵌,伴随着晶相变化。因此,锂离子电池的电极膜都要求很薄,一般为几十微米的数量级。正极材料的嵌锂化合物是锂离子电池中锂离子的临时储存容器。为了获得较高的单体电池电压,倾向于选择高电势的嵌锂化合物。正极材料应满足:
1)在所要求的充放电电位范围内,具有与电解质溶液的电化学相容性;
2)温和的电极过程动力学;
3)高度可逆性;
4)全锂化状态下在空气中的稳定性。
研究的热点主要集中在层状LiMO2和尖晶石型LiM2O4结构的化合物及复合两种M(M为Co,Ni,Mn,V等过渡金属离子)的类似电极材料上。作为锂离子电池的正极材料,Li+离子的脱嵌与嵌入过程中结构变化的程度和可逆性决定了电池的稳定重复充放电性。正极材料制备中,其原料性能和合成工艺条件都会对最终结构产生影响。多种有前途的正极材料,都存在使用循环过程中电容量衰减的情况,这是研究中的首要问题。已商品化的正极材料有Li1-xCoO2(0<x<0.8),Li1-xNiO2(0<x<0.8),LiMnO2[7][8]。它们作为锂离子电池正极材料各有优劣。锂钴氧为正极的锂离子电池具有开路电压高,比能量大,循环寿命长,能快速充放电等优点,但安全性差;锂镍氧较锂钴氧价格低廉,性能与锂钴氧相当,具有较优秀的嵌锂性能,但制备困难;而锂锰氧价格更为低廉,制备相对容易,而且其耐过充安全性能好,但其嵌锂容量低,并且充放电时尖晶石结构不稳定。从应用前景来看,寻求资源丰富、价廉、无公害,还有在过充电时对电压控制和电路保护的要求较低等优点的,高性能的正极材料将是锂离子电池正极材料研究的重点。国外有报道LiVO2亦能形成层状化合物,可作为正极电极材料[9]。从这些报道看出,虽然电极材料化学组成相同,但制备工艺发生变化后,其性能改变较多。成功的商品化电极材料在制备工艺上都有其独到之处,这是国内目前研究的差距所在。各种制备方法优缺点列举如下。
1)固相法一般选用碳酸锂等锂盐和钴化合物或镍化合物研磨混合后,进行烧结反应[10]。此方法优点是工艺流程简单,原料易得,属于锂离子电池发展初期被广泛研究开发生产的方法,国外技术较成熟;缺点是所制得正极材料电容量有限,原料混合均匀性差,制备材料的性能稳定性不好,批次与批次之间质量一致性差。
2)络合物法用有机络合物先制备含锂离子和钴或钒离子的络合物前驱体,再烧结制备。该方法的优点是分子规模混合,材料均匀性和性能稳定性好,正极材料电容量比固相法高,国外已试验用作锂离子电池的工业化方法,技术并未成熟,国内目前还鲜有报道。
3)溶胶凝胶法利用上世纪70年代发展起
来的制备超微粒子的方法,制备正极材料,该方法具备了络合物法的优点,而且制备出的电极材料电容量有较大的提高,属于正在国内外迅速发展的一种方法。缺点是成本较高,技术还属于开发阶段[11]。
4)离子交换法Armstrong等用离子交换法制备的LiMnO2,获得了可逆放电容量达270mA·h/g高值,此方法成为研究的新热点,它具有所制电极性能稳定,电容量高的特点。但过程涉及溶液重结晶蒸发等费能费时步骤,距离实用化还有相当距离。
正极材料的研究从国外文献可看出,其电容量以每年30~50mA·h/g的速度在增长,发展趋向于微结构尺度越来越小,而电容量越来越大的嵌锂化合物,原材料尺度向纳米级挺进,关于嵌锂化合物结构的理论研究已取得一定进展,但其发展理论还在不断变化中。困扰这一领域的锂电池电容量提高和循环容量衰减的问题,已有研究者提出添加其它组分来克服的方法[12][13][14][15][16][17]。但就目前而言,这些方法的理论机理并未研究清楚,导致日本学者Yoshio.Nishi认为,过去十年以来在这一领域实质进展不大[1],急须进一步地研究。
2 负极材料的性能和一般制备方法
负极材料的电导率一般都较高,则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂的化合物,如各种碳材料和金属氧化物。可逆地嵌入脱嵌锂离子的负极材料要求具有:
1)在锂离子的嵌入反应中自由能变化小;
2)锂离子在负极的固态结构中有高的扩散率;
3)高度可逆的嵌入反应;
4)有良好的电导率;
5)热力学上稳定,同时与电解质不发生反应。
研究工作主要集中在碳材料和具有特殊结构的其它金属氧化物。石墨、软碳、中相碳微球已在国内有开发和研究,硬碳、碳纳米管、巴基球C60等多种碳材料正在被研究中[18][19][20][21][22][23]。日本Honda Researchand Development Co.,Ltd的K.Sato等人利用聚对苯撑乙烯(Polyparaphenylene——PPP)的热解产物PPP-700(以一定的加热速度加热PPP至700℃,并保温一定时间得到的热解产物)作为负极,可逆容量高达680mA·h/g。美国MIT的MJMatthews报道PPP-700储锂容量(Storagecapacity)可达1170mA·h/g。若储锂容量为1170mA·h/g,随着锂嵌入量的增加,进而提高锂离子电池性能,笔者认为今后研究将集中于更小的纳米尺度的嵌锂微结构。几乎与研究碳负极同时,寻找电位与Li+/Li电位相近的其他负极材料的工作一直受到重视。锂离子电池中所用碳材料尚存在两方面的问题:
1)电压滞后,即锂的嵌入反应在0~0.25V之间进行(相对于Li+/Li)而脱嵌反应则在1V左右发生;
2)循环容量逐渐下降,一般经过12~20次循环后,容量降至400~500mA·h/g。
理论上的进一步深化还有赖于各种高纯度、结构规整的原料及碳材料的制备和更为有效的结构表征方法的建立。日本富士公司开发出了锂离子电池新型锡复合氧化物基负极材料,除此之外,已有的研究主要集中于一些金属氧化物,其质量比能量较碳负极材料大大提高。如SnO2,WO2,MoO2,VO2,TiO2,LixFe2O3,Li4Ti5O12,Li4Mn5O12等[24],但不如碳电极成熟。锂在碳材料中的可逆高储存机理主要有锂分子Li2形成机理、多层锂机理、晶格点阵机理、弹性球-弹性网模型、层-边端-表面储锂机理、纳米级石墨储锂机理、碳-锂-氢机理和微孔储锂机理。石墨,作为碳材料中的一种,早就被发现它能与锂形成石墨嵌入化合物(Graphite Intercalation Compounds)LiC6,但这些理论还处于发展阶段。负极材料要克服的困难也是一个容量循环衰减的问题,但从文献可知,制备高纯度和规整的微结构碳负极材料是发展的一个方向。
一般制备负极材料的方法可综述如下。
1)在一定高温下加热软碳得到高度石墨化的碳;嵌锂石墨离子型化合物分子式为LiC6,其中的锂离子在石墨中嵌入和脱嵌过程动态变化,石墨结构与电化学性能的关系,不可逆电容量损失原因和提高方法等问题,都得到众多研究者的探讨。2)将具有特殊结构的交联树脂在高温下分解得到的硬碳,可逆电容量比石墨碳高,其结构受原料影响较大,但一般文献认为这些碳结构中的纳米微孔对其嵌锂容量有较大影响,对其研究主要集中于利用特殊分子结构的高聚物来制备含更多纳米级微孔的硬碳[25][26][27]。
3)高温热分解有机物和高聚物制备的含氢碳[28][29]。这类材料具有600~900mA·h/g的可逆电容量,因而受到关注,但其电压滞后和循环容量下降的问题是其最大应用障碍。对其制备方法的改进和理论机理解释将是研究的重点。
4)各种金属氧化物其机理与正极材料类似[24],
也受到研究者的注意,研究方向主要是获取新型结构或复合结构的金属氧化物。
5)作为一种嵌锂材料,碳纳米管、巴基球C60等也是当前研究的一个新热点,成为纳米材料研究的一个分支。碳纳米管、巴基球C60的特殊结构使其成为高电容量嵌锂材料的最佳选择[22][23][30]。从理论上说,纳米结构可提供的嵌锂容量会比目前已有的各种材料要高,其微观结构已被广泛研究并取得了很大进展,但如何制备适当堆积方式以获得优异性能的电极材料,这应是研究的一个重要方向[31][32][33]。
3 结语
综上所述,近年来锂离子电池中正负极活性材料的研究和开发应用,在国际上相当活跃,并已取得很大进展。材料的晶体结构规整,充放电过程中结构不发生不可逆变化是获得比容量高,循环寿命长的锂离子电池的关键。然而,对嵌锂材料的结构与性能的研究仍是该领域目前最薄弱的环节。锂离子电池的研究是一类不断更新的电池体系,物理学和化学的很多新的研究成果会对锂离子电池产生重大影响,比如纳米固体电极,有可能使锂离子电池有更高的能量密度和功率密度,从而大大增加锂离子电池的应用范围。总之,锂离子电池的研究是一个涉及化学、物理、材料、能源、电子学等众多学科的交叉领域。目前该领域的进展已引起化学电源界和产业界的极大兴趣。可以预料,随着电极材料结构与性能关系研究的深入,从分子水平上设计出来的各种规整结构或掺杂复合结构的正负极材料将有力地推动锂离子电池的研究和应用。锂离子电池将会是继镍镉、镍氢电池之后,在今后相当长一段时间内,市场前景最好、发展最快的一种二次电池。
电池的分类有不同的方法其分类方法大体上可分为三大类
第一类:按电解液种类划分包括:碱性电池,电解质主要以氢氧化钾水溶液为主的电池,如:碱性锌锰电池(俗称碱锰电池或碱性电池)、镉镍电池、氢镍电池等;酸性电池,主要以硫酸水溶液为介质,如铅酸蓄电池;中性电池,以盐溶液为介质,如锌锰干电池(有的消费者也称之为酸性电池)、海水激活电池等;有机电解液电池,主要以有机溶液为介质的电池,如锂电池、锂离子电池待。
第二类:按工作性质和贮存方式划分包括:一次电池,又称原电池,即不能再充电的电池,如锌锰干电池、锂原电池等;二次电池,即可充电电池,如氢镍电池、锂离子电池、镉镍电池等;蓄电池习惯上指铅酸蓄电池,也是二次电池;燃料电池,即活性材料在电池工作时才连续不断地 从外部加入电池,如氢氧燃料电池等;贮备电池,即电池贮存时不直接接触电解液,直到电池使用时,才加入电解液,如镁-氯化银电池又称海水激活电池等。
第三类:按电池所用正、负有为材料划分包括:锌系列电池,如锌锰电池、锌银电池等;镍系列电池,如镉镍电池、氢镍电池等;铅系列电池,如铅酸电池等;锂系列电池、锂镁电池;二氧化锰系列电池,如锌锰电池、碱锰电池等;空气(氧气)系列电池,如锌空电池等
充电电池定义
充电电池又称:蓄电池、二次电池,是可以反复充电使用的电池。常见的有:铅酸电池(用于汽车时,俗称“电瓶”)、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池。
电池的额定容量
电池的额定容量指在一定放电条件下,电池放电至截止电压时放出的电量。IEC标准规定镍镉和镍氢电池在20±5℃环境下,以0.1C充电16小时后以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量。单位有Ah, mAh (1Ah=1000mAh)
如何正确使用锂离子电池.
正确使用锂离子电池应注意以下几点:
避免在严酷条件下使用,如:高温、高湿度、夏日阳光下长时间暴晒等,避免将电池投入火中;
装、拆电池时,应确保用电器具处于电源关闭状态;使用温度应保持在-20~55℃之间;
避免将电池长时间“存放”在停止使用的用电器具中;
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锂离子电池的使用
1、如何为新电池充电,
在使用锂电池中应注意的是,电池放置一段时间后则进入休眠状态,此时容量低于正常值,使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活,只要经过3—5次正常的充放电循环就可激活电池,恢复正常容量。由于锂电池本身的特性,决定了它几乎没有记忆效应。因此用户手机中的新锂电池在激活过程中,是不需要特别的方法和设备的。不仅理论上是如此,从我自己的实践来看,从一开始就采用标准方法充电这种“自然激活”方式是最好的。
对于锂电池的“激活”问题,众多的说法是:充电时间一定要超过12小时,反复做三次,以便激活电池。这种“前三次充电要充12小时以上”的说法,明显是从镍电池(如镍镉和镍氢)延续下来的说法。所以这种说法,可以说一开始就是误传。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别,而且可以非常明确的告诉大家,我所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电,特别是不要进行超过12个小时的超长充电。
此外,锂电池或充电器在电池充满后都会自动停充,并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说,如果你的锂电池在充满后,放在充电器上也是白充。而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失,所以你的电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是我们反对长充电的另一个理由。
此外,不可忽视的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电,过放电对锂电池同样也很不利。
2、正常使用中应该何时开始充电
经常可以见到这种说法,因为充放电的次数是有限的,所以应该将手机电池的电尽可能用光再充电。但是我找到一个关于锂离子电池充放电循环的实验表,关于循环寿命的数据列出如下:
循环寿命 (10%DOD):>1000次
循环寿命 (100%DOD):>200次
其中DOD是放电深度的英文缩写。从表中可见,可充电次数和放电深度有关,10%DOD时的循环寿命要比100%DOD的要长很多。当然如果折合到实际充电的相对总容量:10%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充放电还是要比较好一些,但前面网友的那个说法要做一些修正:在正常情况下,你应该有保留地按照电池剩余电量用完再充的原则充电,但假如你的电池在你预计第2天不可能坚持整个白天的时候,就应该及时开始充电,当然你如果愿意背着充电器到办公室又当别论。
电池剩余电量用完再充的原则并不是要你走向极端。和长充电一样流传甚广的一个说法,就是“尽量把电池的电量用完”。这种做法其实只是镍电池上的做法,目的是避免记忆效应发生,不幸的是它也在锂电池上流传之今。曾经有人因为手机电池电量过低的警告出现后,仍然不充电继续使用一直用到自动关机的例子。结果这个例子中的手机在后来的充电及开机中均无反应,不得不送客服检修。这其实就是由于电池因过度放电而导致电压过低,以至于不具备正常的充电和开机条件造成的。
个人建议手机电池的电量保持在满格的状态,当电量不满的时候就开始充电,2-3小时以内为宜。
锂离子电池按电解液分可以分成液态锂离子电池和聚合物锂离子电池,聚合物锂离子电池的电解液是胶体,不会流动,所以不存在泄漏问题,更加安全。

❻ 锂电池原理及结构

以下是锂电池原理及结构:
锂离子电池以碳材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。
锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。
在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。

❼ 1C,3A,5A,8A,10A,12A放电(电池是锂电池17350/850mAh),然后用0.2C

一、背景介绍
迄今为止,锂离子电池(LIB)已广泛应用于便携式电子设备和电动汽车,而且它们的普及率还在继续增长。然而,随着应用的增加,挑战也越来越多,尤其是当运行条件偏离室温时。虽然研究人员已经对LIB的高温性能和降解进行了广泛的研究,但低于零摄氏度的性能受到的关注较少。低温下LIB的容量损失在一定程度上受到电池内部液体电解质的控制。因此,对电解质进行改性有望解决LIB的低温失效问题。
【图1】用于改善低温性能的电解质工程策略示意图。
二、正文部分
1、成果简介
美国劳伦斯伯克利国家实验室GaoLiu团队近日发表了一篇综述文章,首先简要介绍了决定锂离子在0°C以下性能的各种过程。然后,概述了提高上述低温性能的电解质改性策略,包括各种添加剂、溶剂和锂盐。最后,总结了这些策略的优缺点,并就该领域的现状提供了一些见解,包括有前景的新型研究领域。该研究以题目为“Liquidelectrolyte development for low-temperature lithium-ionbatteries”的论文发表在国际顶级期刊《Energy& Environmental Science》上。
2、研究亮点
简要回顾了低温LIBs液体电解质的发展历史。首先总结了决定锂离子在低温(<0°C)下性能指标的各种过程,以及电解质如何影响它们。然后,回顾了近年来低温LIB的电解质改性策略。最后,对该领域未来的发展方向提出了一些建议。
3、图文导读
【图2】石墨‖LiNi0.80Co0.15Al0.05O2全电池中锂传输路径的概述。
锂离子电池的容量通常会随着温度的降低而降低。当温度恢复到正常条件时,这种容量损失通常是可逆的。另一方面,如果电池在低温下充电,也可能发生不可逆的容量损失,这是由于在负极表面沉积了锂金属。这两种类型的容量损失主要归因于低温下增加的内阻。这种内阻有许多组成部分,每个部分对应于锂离子在电池中不同的传输过程(图2)。
【图3】(a)EMC-EC的液固相图,(b)PC-EC的液固相图。
典型的LIB电解质有机碳酸酯溶剂包括碳酸亚乙酯(EC),其具有较大的介电常数,能够使Li+和PF6-强烈离解以形成高导电性电解液。LIB电导率普遍随温度降低,这主要归因于粘度增加,导致内阻上升。由于粘度与EC含量相关,因此应尽量减少这种溶剂。然而,由于EC在稳定SEI形成方面具有重要作用,这项工作具有挑战性。EC具有高熔点,容易凝固。当EC发生结晶时,它会降低剩余液相的电导率,甚至可能堵塞电极孔,导致容量降低。对于浓度>30mol%EC的EC/EMC体系,液相线点仍保持在0°C以上(图3a)。与线性碳酸酯相比,碳酸亚丙酯(PC)在作为助溶剂添加时能够更有效地抑制EC结晶(图3b)。因此,PC广泛用作一种低温溶剂。
【图4】(a)商业锂离子电池放电至3.87V时电解质体电阻(Rb)、SEI电阻(RSEI)、电荷转移电阻(Rct)以及Rct占总电阻的百分比(Rct%)随温度的变化。(b)Rct的Arrhenius曲线。
早期的阻抗研究显示,LIB过电位与充电状态强烈相关,特别是低于-20°C情况下(图4a)。阻抗谱显示,随着温度降低,中频区的电阻增加,这通常对应电荷转移电阻(Rct)。后续工作发现Rct和温度之间存在Arrhenius关系(图4b),并且电荷转移过程的活化能(Ea,ct)强烈依赖于电解质组成。综上所述,这些结果显示,Li+去溶剂化过程才是与电荷转移相关的限速步骤,而不是Li+跨越SEI的过程。
【图5】(a)石墨界面处Li+去溶剂化示意图。(b和c)Gr‖NCA电池的放电曲线。E9A是指在E9电解质中经历了化成循环的负极(贫EC配方),而E2C是指在E2中经历化成循环的正极(富含EC的配方)。
最近的研究工作也证明,Li+去溶剂化是低温下的限速过程(图5a)。2017年,太平洋西北国家实验室的一个团队系统地比较了Gr‖Gr、NCA‖NCA和LTO‖LTO对称电池中不同成分的碳酸盐电解质,从而消除了锂金属的影响。尽管在这些材料及其界面中化学结构不同,它们的中频EIS响应在-40°C时几乎相同,这意味着在每种情况下,离子去溶剂化都是限速过程。此外,当石墨负极在一种电解液中进行SEI化成过程,然后与另一种电解液重新组装成Gr‖NCA全电池时,-20℃时电池的放电容量与前一种电解液几乎没有相关性,但与后一种电解液密切相关(图5b和c)。
【图6】(a)锂离子电池阻抗图。(b)Li‖MCMB半电池阻抗图。
电解质的主要影响是界面组成。中间相可能在负极(SEI)或正极(CEI)表面上形成,它们对电池阻抗产生了体相传输电阻(RSEI)。然而,RSEI不太可能是低温下内阻的最大组成部分。事实上,一些早期的研究指出SEI电导率是低温LIB容量的主要限制因素,这是一个普遍的误解。那么,为什么这种误解会持续存在呢?一个可能的原因是RSEI和Rct可能难以区分。与中间相离子传输和电荷转移相关的阻抗通常有相当大的重叠,这可能导致它们在阻抗图中显示为一个半圆(图6a和b)。另一个可能的原因是,虽然RSEI不是总电阻的最大组成部分,但仍存在,从而显着影响性能。
【图7】(a)带有锂参比电极的MCMB‖LiNi0.8Co0.2O2电池在-20°C充电期间的电极/电池电压曲线。(b)MCMB‖LiNi0.8Co0.2O2电池在-20°C放电期间的电压-容量图。
在低于25°C或以高倍率对石墨负极进行充电会导致锂金属沉积,引发安全隐患和容量过早衰减。如果石墨颗粒相对于Li/Li+的电化学电势下降到0V以下,则在热力学上可能形成锂金属。当施加电流足够大时,负极电位可能会进一步下降到锂电镀状态(图7a)。这种过电位可能由多种因素引起,包括欧姆损耗以及传质和动力学限制。大量研究表明,在低温运行期间,石墨上也会发生镀锂。研究人员采用电化学方法检测低温下何时发生锂电镀(图7b),并对-30°C时LIB放电曲线进行dV/dQ分析。这些dV/dQ分析表明,低温充电后电池阻抗升高,这归因于锂金属与电解质反应生成的SEI。
【图8】(a)MCMB‖LiNi0.5Mn1.5O4全电池在市售电解质(BE)和含有三(三甲基甲硅烷基)亚磷酸酯和1,3-丙二醇环状硫酸盐添加剂(BE+MA+1wt% TMSP+1 wt%PCS)电解质中的循环性能。(b)在室温下0.5C充电后,上述电池在-20至-60°C的放电曲线。(c)亚磷酸盐和硫酸盐添加剂在该体系中的工作机制。
有机亚磷酸酯已作为LIB电解质添加剂用于降低可燃性和提高高压稳定性。特别是,亚磷酸三(三甲基甲硅烷基)酯,又名TMSP或TMSPi,由于其对金属氧化物的钝化作用而受到关注,因为其有助于形成稳定的正极电解质界面(CEI)层。TMSPi还参与石墨上SEI的形成,因为它与EC降解过程中形成的锂醇盐产生反应。最近的研究发现TMSPi可降低-40°C下Gr‖NCA全电池的过电位,从而提高容量。同年的另一篇论文显示,添加TMSPi能够使得5V级MCMB‖LiNi0.5Mn1.5O4电池在-60°C下运行,且没有容量衰减(图8a和b)。除了钝化正极外,该添加剂还能够显着稳定负极SEI,防止锂金属沉积并减少微裂纹的形成(图8c)。
【图9】(a)在标准电解质(1M LiPF6in EC/EMC/PC 4:7:1 w/w)中添加1wt% LiPO2F2后,Gr‖NMC523电池在低温下的放电容量保持率。(b和c)完全充电的正极和负极半电池在0°C时的阻抗。
尽管已经开发了许多不同的锂盐作为LIB添加剂,但很少有人专门研究它们在低温下的作用。其中,二氟磷酸锂(LiPO2F2)可以改变正负极的界面化学特性。在标准电解质(1M LiPF6 in EC/EMC/PC 4:7:1 w/w)中仅添加1wt% LiPO2F2,就可以将Gr‖NMC523电池在-30°C下的相对容量保持率从9.6%提高到57.9%(图9)。最近,另外一些研究表明,这种添加剂在石墨和NMC表面上都充当界面形成剂,大大降低了SEI和CEI电阻。
【图10】(a)在低温(Gr‖NMC111软包电池)和室温(Gr‖NCA纽扣电池)下少量(0.05M)CsPF6添加剂对锂离子全电池性能的影响。(b)Gr‖NCA纽扣电池在-40°C和C/5倍率下,三种含有CsPF6添加剂的电解质中的放电电压曲线,其中E1=1M LiPF6in EC/PC/EMC 1:1:8 w/w+0.05 MCsPF6。(c)含有E1、E2或E3电解质的Gr‖NMC111软包电池在-40°C下的1C放电曲线。电解液E2含有0.5wt%的FEC和TMSPi,但不含1,3-丙磺酸内酯(PS)。(d)在60°C,1C恒流循环期间,含有E1、E2或E3的Gr‖NCA纽扣电池的容量保持率。电解液E3中存在0.5wt% PS。
用于改善低温性能的添加剂之一是CsPF6(图10)。Cs+的作用是由于它在引导SEI形成方面的作用:铯离子在其溶剂壳中只能容纳1-2个EC分子,而且[Cs(EC)1-2]+的还原电位高于[Li(EC)3-4]+的还原电位。这导致SEI由EC的分解产物主导,即使在具有竞争性溶剂或低EC含量的电解质中也是如此。在优化溶剂和添加剂组成后,0.05M CsPF6电解质组装的1Ah软包电池(Gr‖NMC111),其在-18°C下保持0.69Ah的放电容量,在-40°C下保持0.37Ah的放电容量,均在1C倍率下。相同的电池在25°C时能够循环1000次,容量保持率>85%,而使用相同电解质的Gr‖NCA纽扣电池在60°C下循环300次后容量保持率>60%。
【图11】(a)含有10wt% PC和30wt% EC(E6)、20wt% EC(E7)或10wt% EC(E8)的电解质的差示扫描量热法结果,其余为EMC。(b)不同温度下具有不同EC含量的10%PC电解质电导率。(c)Gr‖NCA纽扣电池在不同温度下的C/5放电容量随EC含量的变化。
碳酸丙烯酯 (PC)是一种极性非质子溶剂(ε=65),具有宽的液体温度范围(-49至242°C)。由于PC的熔点和粘度优于EC,添加少量PC可以提高低温下的电导率并显着降低结晶倾向。在2017年的一项研究中,李等人彻底比较了含有不同比例EC、PC和EMC且具有恒定盐浓度(1.0M LiPF6和0.05MCsPF6)的电解质热特性和离子电导率。发现添加PC显着降低了液相线温度和凝固点,对于PC:EC:EMC=1:1:8的电解质,分别为-58.4°C和-67.2°C(图11a)。此外,在低于-20°C的温度下,电导率随着EC含量的降低而均匀增加,在-40°C下,1:1:8混合物的电导率可高达1mS cm-1(图11b)。这种相对简单的三元混合物能够使Gr‖NCA纽扣电池和Gr‖NMC111软包电池在-40°C和C/5条件下的容量保持率>65%(图11c)。
【图12】(a)高氟化FEC基电解质的冰点。(b)几种电解质电导率随温度的变化。含有高氟电解质和标准电解质的Li‖NCA半电池(c)在不同温度下的循环性能,以及(d)在-20°C,C/3下的循环性能。
Fan等人最近报道了一种使用FEC作为主要溶剂成分的高氟含量电解液。作者在FEC:DEC=1:3的混合物中溶解了高浓度的氟化盐LiFSI或LiBETI。然后将浓缩的电解质进一步稀释到惰性氟化溶剂中,这种溶剂通常不能溶解锂盐,但可与预溶剂化的混合物混溶。由此产生的局部高浓电解质在-120°C以下保持液态(图12a),达到了惊人的低温极限。它们的电导率对温度不敏感,从-80°C到25°C仅变化两个数量级(10-5-10-3Scm-1)(图12b)。此外,由于盐与(配位)溶剂分子的比例很高,Li+的平均溶剂化能显着降低。总之,这种电解质使得Li‖NCA电池能够在-95至70°C内运行(图12c和d)。
【图13】(a)MCMB‖LixNiyCo1−yO2软包电池的串联电阻随温度的变化,该软包电池电解质为1M LiPF6 inEC/EMC/各种酯=1:3:1。(b和c)在标准电解质和1M LiBOB in GBL:F-EPE=7:3电解质中,Gr‖NMC111纽扣电池在不同温度下的0.1C放电曲线。
除了碳酸酯类之外,酯类以及它们的环状衍生物(称为内酯类)也可以作为低温锂离子电池的电解质溶剂。其中,丙酸甲酯(MP)是最有效的(图13a),把它添加在1M LiPF6in EC/EMC/MP=2:6:2电解质中后,Gr|LiNi0.8Co0.2O2电池的放电容量可在-60°C下超过5Ah。另外,环状内酯与线性酯类不同,它们具有较高的极性,足以部分或完全替代EC/PC。研究最多的是γ-丁内酯(GBL),其在室温下具有42的相对介电常数,约为EC的一半,但仍然足够大,使得Li+盐有效电离。它还能在更宽的范围内保持液态,并且比EC具有更低的粘度。然而,与其他酯一样,它无法在石墨上形成钝化SEI。然而,最近Shi等人在GBL与惰性氢氟醚(F-EPE)的混合物中溶解了1M 双(草酸根)硼酸锂(LiBOB)作为电解质。这种电解质使得Gr‖NMC111电池能够在宽的温度范围内(-40至60°C)稳定循环,在-40°C下能提供74mAh g-1的比容量,而传统电解质做不到(图13b和c)。
【图14】(a)完全充电的锂离子电池在-20°C下的阻抗谱,电解质为1MLiPF6/LiBF4in EC/DMC/DEC=1:1:1 w/w。(b)使用混合LiDFOB/LiBF4电解质与标准电解质的Li‖LiFePO4电池在-20°C下的初始充放电曲线,放电速率为0.5C。(c)-20°C下,Gr|LiNi0.5Mn1.5O4电池在含有不同比例LiDFOB与LiBF4电解质中的循环性能。
LiBF4在电解质中的离子电导率和SEI特性较差,但在零度以下,LiBF4可以实现比LiPF6更好的电池性能。当使用LiBF4时,全电池Rct显着降低(图14a)。然而,由于电解质溶液中形成的SEI性能较差,LiBF4并没有得到广泛普及。另一方面,双(氧代)硼酸锂(LiBOB)具有优异的SEI形成能力。然而,LiBOB的溶解度和导电性比LiPF6更差,限制了它的应用。在二氟(氧代)硼酸锂(LiDFOB)中可以避免上述两个问题,它具有LiBOB的SEI形成特性,以及适当的溶解度和离子解离特性。使用LiDFOB和LiBF4组成的混合盐可以最大限度地发挥这两种化合物在低温下的优势。例如,李等人研究了一种EC/DMS/EMC=1:1:3v/v电解液,其中LiDFOB和LiBF4总量为0.9M。在半电池测试中发现这种电解质与石墨和LiFePO4兼容,在-20°C时,其容量比标准电解质高得多(图14b)。Zhou和同事对在-20至60°C内具有不同DFOB/BF4比的电解质进行了详细研究。纯LiDFOB普遍适用室温和更高温度,在Gr‖LMNO电池中产生最好的电导率和放电容量,但这种趋势在-20°C时完全相反,LiDFOB和LiBF4混合物显示出更好的特性(图14c)。在0.8M LiDFOB和0.2M LiBF4比例下达到了最优的性能,因为即使是少量的LiBF4也可以在-20°C下将电池Rct从482.6Ω降低到346.3Ω,而不会影响LiDFOB的钝化效果。因此,含有这种混合物的电池在所有温度下都表现出优异的容量保持率。
【图15】(a-c)含有各种电解质的Si纳米片粉末半电池在不同温度下的循环性能。电解质为1M LiPF6in EC/DEC=1:1 v/v,具有10wt%的添加剂。(d-f)上述电池在不同温度下第10次循环的充放电曲线。
硅负极具有较高的容量,有望取代石墨负极,然而它在低温下的性能研究较少。春田等人比较了几种常见电解质添加剂在不同温度下对Si纳米片负极的影响(图15),发现10wt% FEC在-5°C下和60°C下都有较高的容量和循环稳定性。而10wt% VC在高温下的容量稍好一些,但低温下的容量则会大大降低。
4、总结和展望
这篇综述首先总结了与液体电解质相关的阻抗来源以及它们在低温性能中所起的作用。低温下LIB运行的最大限制因素是电荷转移电阻,而这与电解质/活性材料界面处的Li+去溶剂化相关。通过电解质工程能够解决这些问题。电解质添加剂通常有助于形成坚固的SEI/CEI层,降低Li+传输阻力。低温下最简单但最有效的溶剂组分之一是碳酸丙烯酯(PC),因为它熔点较低(-49°C)。最后,使用其他锂盐,如LiBF4,LiBOB和LiDFOB,也能够将低温下的电荷转移电阻大大降低。总的来说,通过对电解质添加剂、溶剂、锂盐进行改性和不同的组合有望进一步提升低温LIB性能,使其能够应用于一些极端条件如航空航天,深海探测等领域。
参考文献
DionHubble, David Emory Brown, Yang Zhao, Chen Fang, Jonathan Lau,Bryan D. McCloskey and Gao Liu*. Liquid electrolyte development forlow-temperature lithium-ion batteries, Energy& Environmental Science.
DOI:10.1039/D1EE01789F
https://doi.org/10.1039/D1EE01789F

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