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锂离子电池的工作原理是怎样的?它是如何充放电的?
一、发展及分类
“锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低,放电电压平缓等优点,使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂电池一般有高于3.0伏的标称电压,更适合作集成电路电源。二氧化锰电池,就广泛用于计算器,数码相机、手表中。
为了开发出性能更优异的品种,人们对各种材料进行了研究,从而制造出前所未有的产品。
1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。
20世纪70年代时,M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。
1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化,使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小。
由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。随着科学技术的发展,锂电池已经成为了主流。
锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。
锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。
二、工作原理
1. 锂金属电池
一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
放电反应:Li+MnO2=LiMnO2
2.锂离子电池:
锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。
充电正极上发生的反应为
LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(电子)
充电负极上发生的反应为
6C+xLi++xe- = LixC6
充电电池总反应:LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
三、特征
高能量密度锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半,体积是镍镉的20-30%,镍氢的35-50%。
高电压一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值),相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。
无污染锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。
不含金属锂锂离子电池不含金属锂,因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。
循环寿命高在正常条件下,锂离子电池的充放电周期可超过500次,磷酸亚铁锂则可以达到2000次。
无记忆效应记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中,电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。
快速充电使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器,可以使锂离子电池在1.5-2.5个小时内就充满电;而新开发的磷铁锂电池,已经可以在35分钟内充满电。
三、优缺点分析
1.优点
(1)能量比较高。具有高储存能量密度,已达到460-600Wh/kg,是铅酸电池的约6-7倍;
(2)使用寿命长,使用寿命可达到6年以上,磷酸亚铁锂为正极的电池1C(100%DOD)充放电,有可以使用10,000次的记录;
(3)额定电压高(单体工作电压为3.7V或3.2V),约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压,便于组成电池电源组;锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术,将电压调至3.0V,以适合小电器的使用。
(4)具备高功率承受力,其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力,便于高强度的启动加速;
(5)自放电率很低,这是该电池最突出的优越性之一,一般可做到1%/月以下,不到镍氢电池的1/20;
(6)重量轻,相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5;
(7)高低温适应性强,可以在-20℃--60℃的环境下使用,经过工艺上的处理,可以在-45℃环境下使用;
(8)绿色环保,不论生产、使用和报废,都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
(9)生产基本不消耗水,对缺水的我国来说,十分有利。
比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位,W是瓦、h是小时;kg是千克(重量单位),L是升(体积单位)。
2.缺点
1.锂原电池均存在安全性差,有发生爆炸的危险。
2.钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电,价格昂贵,安全性较差。
3.锂离子电池均需保护线路,防止电池被过充过放电。
4.生产要求条件高,成本高。
5.使用条件有限制,高低温使用危险大。
做锂电池的高低温检测需要什么程序?该注意哪些问题?-40度到80度
最好选用单点化成柜(以防牵连其他点)将电池先在常温下最一次循环,记录曲线和数据。
1、将实验室整理干净,易燃、易爆物质撤离实验室,
2、将电池放入内温度是-40度的冰箱能,在-40度的问题环境内存放10分钟,取出用化成贵对其充放电;如果有条件,电池可以一直放在冰箱内。待充放点循环结束,保留曲线和数据。与常温下的曲线和数据对比,看是否符合规格书上所说。
3、前面完成后,将电池放置一天。然后对电池加温80度,在80度环境内对电池充放电,也是同上面的一样。
注意:做实验必须要有人在看最实验室的温度等仪器,实验室内必须放有灭火器,实验室电源必须有一个总开关(在容易操作的地方)。实验员一定要冷静的心态,一旦出现隐患要冷静地对代,一般电池没有受到激烈碰撞是不会爆炸的,如果电池起火的话要用灭火器对其进行喷射,将损失降到最小!
寿命及影响因素:
锂电池一般能够充放300-500次。最好对锂电池进行部分放电,而不是完全放电,并且要尽量避免经常的完全放电。一旦电池下了生产线,寿命时钟就开始走动。不管你是否使用,锂电池的使用寿命都只在最初的几年。电池容量的下降是由于氧化引起的内部电阻增加(这是导致电池容量下降的主要原因)。最后,电解槽电阻会达到某个点,尽管这时电池充满电,但电池不能释放已储存的电量。
锂电池的老化速度是由温度和充电状态而决定的。下表说明了两种参数下电池容量的降低。
温度 充电 40% 充电100%
0°C 一年后容量98% 一年后容量94%
25°C 一年后容量96% 一年后容量80%
40°C 一年后容量85% 一年后容量65%
60°C 一年后容量75% 三个月后容量60%
高充电状态和增加的温度加快了电池容量的下。 如果可能的话,尽量将电池充到40%放置于阴凉地方。这样可以在长时间的保存期内使电池自身的保护电路运作。如果充满电后将电池置于高温下,这样会对电池造成极大的损害。(因此当我们使用固定电源的时候,此时电池处于满充状态,温度一般是在25-30°C之间,这样就会损害电池,引起其容量下降)。
由上可以总结出以下几点可延长锂电池容量和寿命的注意事项:
1、如果长期用外接电源为笔记本电脑供电,或者电池电量已经超过80%,马上取下电池。平时充电不需将电池充满,充至80%左右即可。调整操作系统的电源选项,将电量警报调至20%以上,平时电池电量最低不要低于20%。
2、手机等小型电子设备,充好电就应立刻断开电源线 (包括充电功能的USB接口),一直连接会损害电池。要经常充电,但不必非得把电池充满。
3、无论是对笔记本还是手机等,都一定不要让电池耗尽(自动关机)。
4、如果要外出旅行,可把电池充满,但在条件允许的情况下随时为电器充电。
5、使用更为智能省电的操作系统。
锂电池测试报告
需要等锂电池测试完成后,根据锂电池的测试流程、项目、标准、结果等模块依次记录,形成一份完整的测试报告。3C锂电池测试中,测试项目可分为基本性能测试、外观测试、安全性测试、可靠性测试、电化学测试等等,用电池测试模组 弹片微针模组可提高测试效率,达到更准确的结果,它能保持着长期的稳定性,连接功能强大,在电流传输中,1-50A范围内的电流都可通过,一体成型的弹片有着很好的过流能力且使用寿命较高,能够连续使用。