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表述鋰離子電池儲(chǔ)能大小的參數(shù)是能量密度,在數(shù)值上大約相當(dāng)于電壓與鋰電池容量的乘積,為了有效提高鋰電池的儲(chǔ)電量,人們一般會(huì)用增加電池容量的方法達(dá)到目的。但是,限于所用原材料的性質(zhì),容量提升總是有限度的,于是提高電壓值成為提升鋰電池儲(chǔ)電能力的另一條途徑。大家知道,鋰電池標(biāo)稱電壓是3.6V或3.7V,高電壓是4.2V。那么,鋰電池的電壓什為什么不能獲得更大的突破呢?說到底,這也是由鋰電池的材料及結(jié)構(gòu)性質(zhì)決定的。
鋰電池的電壓是由電極電勢(shì)決定的。電壓也稱作電勢(shì)差或電位差,是衡量電荷在靜電場(chǎng)中由于電勢(shì)不同所產(chǎn)生的能量差的物理量。鋰離子的電極電勢(shì)約是3V,鋰電池的電壓隨材料不同而有變化。如,一般的鋰離子電池額定電壓為3.7V,滿電電壓為4.2V;而磷酸鐵鋰電池額定電壓為3.2V,滿電電壓為3.65V。換句話說,實(shí)用中的鋰離子電池正極和負(fù)極之間的電勢(shì)差不能超過4.2V,這是一種基于材料和使用安全性的需要。
假如以Li/Li+電極為參照電位,設(shè)μA為負(fù)極材料的相對(duì)電化學(xué)勢(shì),μC為正極材料的相對(duì)電化學(xué)勢(shì),電解液電勢(shì)區(qū)間Eg為電解液低電子未占有能級(jí)和高電子占有能級(jí)之差。那么,決定鋰電池高電壓值的就是μA、μC、Eg這三個(gè)因素。
在所有元素中,鋰具有最負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(-3.045V vs. SHE,即相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為-3.045V),且鋰原子得失1mol電子所需的質(zhì)量最輕(原子量為6.94g/mol,密度為0.53g/cm3)。鋰的理論比容量可達(dá)到3860Ah/kg,而鋅和鉛分別只有820Ah/kg和260Ah/kg。因此,以鋰作為負(fù)極的電池具有電壓高和理論能量密度高等特點(diǎn)。鋰電池的研究歷史可以追溯到20世紀(jì)50年,一次鋰電池于70年進(jìn)入實(shí)用化,bao括Li/MnO2電池、Li/SO2電池、Li/SOCl2電池和Li/(CF)n電池等。為了實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)性,人們開始研究鋰二次電池。
Stanford大學(xué)團(tuán)隊(duì)于1970年研究嵌入化學(xué)反應(yīng),采用TiS2作為正極,以鋰作為負(fù)極,制成了嵌入式正極材料鋰二次電池[2],由于鋰的枝晶問題影響電池安全,以加拿大Moli公司1990年電池產(chǎn)品發(fā)生安全事故為標(biāo)志,以鋰為負(fù)極的二次電池技術(shù)研究進(jìn)入低潮,之后即進(jìn)入鋰離子電池時(shí)。Armand等于1977年報(bào)道了鋰石墨插層化合物等[3],至1980年基本形成了嵌入化合物作為鋰離子電池電極的概念[4],同年,Good enough等合成出層狀嵌入化合物L(fēng)iMO2(M=Co,Ni,Mn),并且發(fā)現(xiàn)其中的鋰離子可逆的脫嵌和嵌入[5],鈷酸鋰成為鋰離子電池的{dy}正極材料。1990年,日本公司開發(fā)出個(gè)商業(yè)化的鋰離子電池[6],全球開始興起了鋰離子電池研究的熱潮。
鋰離子電池工作原理見圖5。電池負(fù)極一般是碳素材料,正極是含鋰的過渡氧化物L(fēng)iCoO2或LiMn2O4,LiFePO4等,電解質(zhì)是鋰鹽的有機(jī)溶液或聚合物。充電時(shí),正極中的鋰離子脫離LiCoO2或LiMn2O4晶體,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料負(fù)極;放電時(shí)則相反。用LiCoO2作正極活性物質(zhì)的鋰離子電池反應(yīng)為:
放電時(shí):Li1-xCoO2+LixC6→LiCoO2+6C;
充電時(shí):LiCoO2+6C→Li1-xCoO2+LixC6。
鋰離子電池具有工作電壓高、重量輕、體積小、無記憶效應(yīng)、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、筆記本電腦、PDA等移動(dòng)終端產(chǎn)品。純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的容量決定了車輛的續(xù)航能力,大電流放電能力決定車輛加速能力,因此,高比能量和大功率鋰離子電池成為選的電動(dòng)汽車電池
鋰離子電池具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、無充放電、自放電率低、工作溫度范圍寬和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),因而成為電能的一個(gè)比較理想的載體,在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
一般而言,我們?cè)谑褂娩囯x子電池的時(shí)候,會(huì)關(guān)注一些技術(shù)指標(biāo),作為衡量其性能“優(yōu)劣”的主要因素。那么,哪些指標(biāo)是我們需要在使用的時(shí)候,應(yīng)該予以特別關(guān)注呢?
1.容量
這是大家比較關(guān)心的一個(gè)參數(shù)。智能手機(jī)早已普及,我們?cè)谑褂弥悄苁謾C(jī)的時(shí)候,最為擔(dān)心的就是電量不足,需要頻繁充電,有時(shí)還找不到地方充電。早期的功能機(jī),正常使用情況下,滿充的電池可以待機(jī)3~5天,一些產(chǎn)品甚至可以待機(jī)7天以上??墒堑搅酥悄軝C(jī)時(shí),待機(jī)時(shí)間就顯得慘不忍睹了。這里面很重要的一個(gè)原因,就是手機(jī)的功耗越來越大,而電池的容量卻沒有同比例的增長(zhǎng)。
容量的單位一般為“mAh”(毫安時(shí))或“Ah”(安時(shí)),在使用時(shí)又有額定容量和實(shí)際容量的區(qū)別。額定容量是指滿充的鋰離子電池在實(shí)驗(yàn)室條件下(比較理想的溫濕度環(huán)境),以某一特定的放電倍率(C-rate)放電到截止電壓時(shí),所能夠提供的總的電量。實(shí)際容量一般都不等于額定容量,它與溫度、濕度、充放電倍率等直接相關(guān)。一般情況下,實(shí)際容量比額定容量偏小一些,有時(shí)甚至比額定容量小很多,比如北方的冬季,如果在室外使用手機(jī),電池容量會(huì)迅速下降。