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锂离子电池详解

2018-10-24   点击量:672

电池以便携的形式为我们提供了所有便利的电力。唯一的麻烦是,大多数电池很快用完,除非你使用专用充电器,否则你必须扔掉它们。你的口袋很难装一箩筐电池,这对环境也不好:在全球范围内,我们每年丢弃数十亿个一次性电池。可充电电池有助于解决这个问题,最好的一种使用类型称为锂离子电池。你的手机、笔记本电脑和MP3播放器可能都使用锂离子电池。它们自1991年左右开始广泛使用,但基本的化学反应最早是由美国化学家GilbertLewis(1875-1946)在1912年发现的。让我们仔细看看它们是如何工作的!


普通电池的问题


电池本质上是一个小型金属罐中发生的化学实验。将电池的两端连接到类似手电筒的东西,化学反应开始:电池内的化学物质缓慢但系统地分裂并连接在一起以产生其他化学物质,产生称为离子和带负电的电子的带正电粒子流。离子穿过电池;电子经过电路,其对电池的连接,从而提供电能量驱动手电筒。唯一的麻烦是,这种化学反应只能发生一次而且只发生在一个方向:这就是普通电池通常无法充电的原因。


可充电电池=可逆反应


不同的化学物质用于可充电电池,它们通过完全不同的反应分开。最大的区别在于可充电电池中的化学反应是可逆的:当电池放电时,反应是单向的,电池放电;:当电池充电时,反应方向相反,电池吸收电能。这些化学反应可以在两个方向上发生数百次,因此可充电电池通常可以为您提供从两到三年到多达10年的使用寿命(取决于您使用它的频率以及您对它的照顾程度)。


锂离子电池如何工作


与任何其他电池一样,可充电锂离子电池由一个或多个称为电池的发电隔室制成。每个电池基本上具有三个部件:正电极(连接到电池的正极或+端子),负极(连接到负极或-端子),以及在它们之间的称为电解质的化学物质。正电极通常由称为锂-钴氧化物(LiCoO2)的化合物制成,或者在较新的电池中由磷酸铁锂(LiFePO4)制成。)。负电极通常由碳(石墨)制成,并且电解质从一种类型的电池变化到另一种类型-但是在理解电池如何工作的基本思想方面并不太重要。


所有锂离子电池的工作方式大致相同。当电池充电时,锂-钴氧化物正极放弃一些锂离子,锂离子通过电解质移动到负极石墨电极并保留在那里。电池在此过程中接收并储存能量。当电池放电时,锂离子通过电解质移回正极,产生为电池供电的能量。在两种情况下,电子以与外部电路周围的离子相反的方向流动。电子不会流过电解质:就电子而言,它实际上是一个绝缘屏障。


离子(通过电解质)和电子(在外部电路周围,在相反方向上)的运动是相互连接的过程,并且如果任何一个停止,则另一个运行。如果离子因电池完全放电而停止在电解液中移动,电子也无法通过外部电路移动-您将失去电力。同样,如果关掉电池供电的电源,电子流动就会停止,离子流也会停止。电池基本上以高速率停止放电(但即使设备断开,它也会以非常慢的速率继续放电)。


锂离子电池如何充放电


正如他们的名字所暗示的那样,锂离子电池都是关于锂离子的运动:当电池充电时(当它吸收功率时),离子会向一个方向移动;当电池放电时(当它供电时),它们会以相反的方式移动:


在充电期间,锂离子(黄色圆圈)通过电解质(灰色)从正电极(红色)流到负电极(蓝色)。电子也从正电极流到负电极,但是在外电路周围走更长的路径。电子和离子在负电极处结合并在那里沉积锂。


当不再有离子流动时,电池充满电并准备使用。


在放电期间,离子通过电解质从负电极流回到正电极。电子通过外部电路从负电极流向正电极,为笔记本电脑供电。当离子和电子在正电极处结合时,锂沉积在那里。


当所有离子都移回后,电池完全放电,需要再次充电。


锂离子是如何储存的?


当电池完全充电时,所有锂离子都存储在石墨烯层之间(石墨电极中的碳片一个原子厚)(它们都向左移动)。在这种充电状态下,电池实际上是多层夹层:石墨烯层与锂离子层交替。随着电池放电,离子从石墨电极迁移到氧化钴电极(从左到右)。当它完全放电时,所有锂离子都转移到右侧的氧化钴电极上。再一次,锂离子分层,在钴离子(红色)和氧化物离子(蓝色)之间。当电池充电和放电时,锂离子从一个电极到另一个电极来回分流。


与简单的电池不同,锂离子电池内置电子控制器,可调节充电和放电方式。它们可以防止过充电和过热,从而导致锂离子电池在某些情况下爆炸。


谁发明了锂离子电池?


20世纪70年代,化学家JohnGoodenough和他的同事PhilWiseman,KoichiMizushima和PhilJones在牛津大学率先推出了方便有用的锂离子电池组。他们的研究成果发表于1980年,并由索尼公司转变为商业技术,索尼于20世纪90年代初生产出第一批锂离子电池。从那以后,它们变得司空见惯:每年约有50亿人制造(根据彭博社2013年的新闻报道),其中大部分在中国。


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钜大特种电池工程研究院

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