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锂离子电池是理想的电池吗?

2018-11-28   点击量:628

多年来,镍镉一直是从无线通信到移动计算的便携式设备的唯一合适电池。镍氢和锂离子的出现在20世纪90年代早期,为了获得客户的认可,他们不断争吵。如今,锂离子电池是发展最快、最有前景的电池化学品。


锂离子电池


使用锂电池的先锋工作始于1912年的GNLewis,但直到20世纪70年代早期,第一批非可充电锂电池才开始商用。锂是所有金属中最轻的,具有最大的电化学势,并提供最大的重量能量密度。


由于安全问题,尝试开发可充电锂电池失败。由于锂金属固有的不稳定性,特别是在充电过程中,研究转向使用锂离子的非金属锂电池。虽然能量密度略低于锂金属,但锂离子是安全的,只要在充电和放电时满足一定的预防措施。1991年,索尼公司将第一款锂离子电池商业化。其他制造商纷纷效仿。


锂离子的能量密度通常是标准镍镉的两倍。有可能存在更高的能量密度。负载特性相当好,并且在放电方面表现与镍镉相似。3.6伏的高电池电压允许电池组设计只有一个电池。今天的大部分手机都在一个单元格上运行。镍基电池组需要三个串联的1.2伏电池。


锂离子电池是一种低维护电池,这是大多数其他化学品无法提出的优势。没有记忆,也没有预定的骑行时间来延长电池的使用寿命。此外,与镍镉相比,自放电不到一半,使锂离子电池非常适合现代电量计应用。锂离子电池在处理时几乎不会造成伤害。


尽管锂离子具有整体优势,但它有其缺点。它很脆弱,需要一个保护电路来保持安全操作。保护电路内置于每个电池组中,可在充电期间限制每个电池的峰值电压,并防止电池电压在放电时降至过低。此外,监测电池温度以防止极端温度。大多数电池组的最大充电和放电电流限制在1C和2C之间。采用这些预防措施,实际上消除了由于过充电而发生金属锂电镀的可能性。


老化是大多数锂离子电池的关注点,许多制造商对此问题保持沉默。无论电池是否在使用,一年后一些容量恶化是显而易见的。两三年后电池经常出现故障。应该注意的是,其他化学物质也具有与年龄相关的退行性作用。如果暴露在高环境温度下,对于镍-金属氢化物尤其如此。同时,已知锂离子电池组在某些应用中已经使用了五年。


制造商正在不断改进锂离子电池。每六个月左右推出一种新的和增强的化学组合。随着这种快速发展,很难评估修改后的电池的老化程度。


在阴凉处储存会减缓锂离子(和其他化学物质)的老化过程。制造商建议存储温度为15°C(59°F)。此外,电池在存放期间应部分充电。制造商建议收取40%的费用。


就成本与能量比而言,最经济的锂离子电池是圆柱形18650(尺寸为18mmx65.2mm),用于移动计算和其他不需要超薄几何结构的应用。如果需要纤薄的包装,棱柱形锂离子电池是最佳选择。就储存的能量而言,这些电池的成本较高。


好处


高能量密度-更高容量的潜力。


新的时候不需要长时间启动。只需一次定期充电即可。


相对较低的自放电-自放电不到镍基电池的一半。


低维护-无需定期排放;没有记忆。


特种电池可以为电动工具等应用提供非常高的电流。


限制


需要保护电路,以保持电压和电流在安全范围内。


即使不使用也会老化-在40%电量的阴凉处存放会降低老化效果。


运输限制-大批量运输可能受到监管控制。此限制不适用于个人随身携带的电池。


制造成本高-比镍镉成本高出约40%。


尚未完全成熟-金属和化学品正在不断变化。


锂聚合物电池


锂聚合物与所用电解质类型的传统电池系统不同。最初的设计可以追溯到20世纪70年代,使用干燥的固体聚合物电解质。这种电解质类似于塑料薄膜,它不导电但允许离子交换(带电的原子或原子团)。聚合物电解质取代了传统的多孔隔板,其用电解质浸泡。


干式聚合物设计在制造、坚固性、安全性和薄型几何形状方面提供了简化。电池厚度仅为1毫米(0.039英寸),设备设计师在形状和尺寸方面都有自己的想象力。


不幸的是,干燥的锂聚合物具有差的导电性。内部电阻太高,无法提供为现代通信设备供电所需的电流突发,并且无法启动移动计算设备的硬盘驱动器。将电池加热至60°C(140°F)或更高会增加电导率,这一要求不适合便携式应用。


为了妥协,添加了一些凝胶电解质。商业电池使用由填充有聚合物的相同的传统多孔聚乙烯或聚丙烯隔板制备的隔板/电解质膜,该聚合物在填充液体电解质时凝胶化。因此,商业锂离子聚合物电池在化学和材料方面与它们的液体电解质对应部件非常相似。


锂离子聚合物并没有像一些分析师预期的那样迅速流行起来。其优于其他系统和低制造成本尚未实现。没有实现容量增加的改善-实际上,容量略低于标准锂离子电池的容量。锂离子聚合物在薄薄的几何形状中找到了市场,例如用于信用卡和其他此类应用的电池。


好处


非常低调-类似于信用卡的电池是可行的。


灵活的外形-制造商不受标准单元格格式的约束。具有高容量,可以经济地生产任何合理的尺寸。


轻质凝胶电解质通过消除金属外壳实现简化包装。


提高安全性-更耐过充电;电解质泄漏的可能性较小。


限制


与锂离子相比,能量密度更低,循环次数更少。


制造昂贵。


没有标准尺寸。大多数电池是为大批量消费市场生产的。


比锂离子更高的成本-能量比


特种旅行中锂含量的限制


特种旅行者问的问题是,"我允许携带多少锂电池?"我们区分两种电池类型:锂金属和锂离子。


大多数锂金属电池是不可充电的,用于胶片相机。锂离子电池组是可充电和电动笔记本电脑,手机和便携式摄像机。两种电池类型,包括备用电池组,都可以随身携带,但不能超过以下锂含量:


-2克锂金属或锂合金电池


-8克锂离子电池


锂离子电池超过8克但不多如果单独受到保护以防止短路并且每人限制为两个备用电池,则可随身携带的行李携带超过25克的随身行李。


我怎么知道锂离子电池的锂含量?从理论上讲,典型的锂离子电池中没有金属锂。但是,必须考虑相同的锂含量。对于锂离子电池,其计算为额定容量的0.3倍(安培-小时)。


示例:2Ah18650锂离子电池具有0.6克锂含量。在典型的60Wh笔记本电池上,有8个电池(4个串联,2个并联),这相当于4.8g。为了保持低于8克的联合国限制,你可以携带的最大电池是96瓦。该包装可以包括12个电池排列(4s3p)的2.2Ah电池。如果使用2.4Ah电池,则需要将电池组限制为9个电池(3s3p)。


限制锂离子电池的运输


任何批量运输锂离子电池的人都有责任遵守运输法规。这适用于陆地,海上和空中的国内和国际货运。


锂电池等效锂含量超过1.5克或每个电池组8克的锂离子电池必须作为"9级杂项危险材料"运输。电池容量和电池组中的电池数决定锂含量。


含锂量低于8克的包装例外。但是,如果一批货物包含超过24个锂电池或12个锂离子电池组,则需要特殊标记和装运单据。每个包装必须标明它包含锂电池。


所有锂离子电池必须按照UN3090中详述的规格进行测试,不论锂含量如何(联合国测试和标准手册,第III部分,第38.3小节)。这项预防措施可防止有缺陷的电池运输。


必须将电池和电池分开以防止短路并将其包装在坚固的盒子中。

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