鋰電池是當(dāng)今能量密度最高的二次電池，能量密度提升過程有哪些？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-16 19:41
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鋰離子電池工作原理，鋰離子電池的應(yīng)用。隨著手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品、電動(dòng)汽車的普及，鋰離子電池在人們生活當(dāng)中扮演著越來越重要的角色。今天就就和小編一起來聊一聊鋰離子電池工作原理及其應(yīng)用。
一項(xiàng)科技產(chǎn)品誕生往往會改變?nèi)藗兊纳睿瑸槿藗兊纳顜順O大的便利?？赡芎芏嗳硕歼€記得，以前用過的手電筒里面的電池，那是用一根石墨棒外面包裹著碳來發(fā)電的。這種電池重量大而且還不能循環(huán)使用，處理的時(shí)候還不能扔進(jìn)垃圾箱，因?yàn)樗鼤茐耐恋氐纳L能力。就被慢慢的淘汰了，取而代之的就是鋰電池。
鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池放電是靠化學(xué)的氧化還原反應(yīng)。放電時(shí)，也就是我們在使用電池消耗電量的時(shí)候，它的正極會嵌入鋰離子，負(fù)極鋰離子落嵌。充電的時(shí)候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池產(chǎn)生電量。
1、電池充電時(shí)，Li從磷酸鐵鋰晶體內(nèi)面遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，然后嵌入石墨晶格中。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的銅箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵。
一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產(chǎn)生泡沫，反而不滿。
2、電池放電時(shí)，Li從石墨晶體中脫嵌出來，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時(shí)，電池經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達(dá)至平衡。
鋰離子電池的應(yīng)用
一、交通動(dòng)力電源領(lǐng)域主要包括：電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車(電動(dòng)大巴/中巴車、電動(dòng)特種車
二、電力儲能電源領(lǐng)域主要包括：大型太陽能/風(fēng)能電力儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰電源、電力專用不間斷電源系統(tǒng)、一體化電源系統(tǒng)、光伏離網(wǎng)并網(wǎng)儲能電站系統(tǒng)
三、移動(dòng)通信電源領(lǐng)域主要包括：一體化鋰電池電源、戶外一體化基站鋰電池電源、邊際網(wǎng)基站鋰電池電源、非物理站點(diǎn)鋰電池備電、FTTX的多種鋰電池備電、通信機(jī)樓336VHVDC數(shù)據(jù)中心備電、可再生能源基站電源、IDC機(jī)樓的鐵鋰電池儲能電站
四、新能源儲能動(dòng)力電源：太陽能路燈、草坪燈、礦燈、應(yīng)急燈、庭院燈、高桿燈、起動(dòng)電源、電動(dòng)工具、電動(dòng)玩具、電動(dòng)割草機(jī)，電動(dòng)捕魚器等、電動(dòng)模型、航模、電動(dòng)機(jī)器人
五、航天軍工電源：大型艦船類動(dòng)力電源、航空飛行器所用動(dòng)力電源、航天載具動(dòng)力電源系統(tǒng)、軍用裝甲，民用大型挖掘器械所用動(dòng)力電源
鋰離子電池的安全隱患
一般來說，鋰離子電池出現(xiàn)安全問題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會導(dǎo)致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過了電池?zé)崃康暮纳⒛芰?，鋰離子電池就會過熱，電池材料就會發(fā)生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)和負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)等破壞性的副反應(yīng)。
作為充電的鋰離子電池，鋰電池輸出電壓穩(wěn)定、輸出電壓高、性能穩(wěn)定、容量大、使用壽命長、工作溫度范圍廣、安全性好以及環(huán)保無污染，因此在未來鋰電池發(fā)展道路上具有很大的上升空間，但還需不斷研究以求達(dá)到改善其自身缺陷的目的。
眾所周知，電池的能量密度和壽命是兩個(gè)最重要的評價(jià)指標(biāo)，而鋰電池又是當(dāng)今能量密度最高的二次電池。但作為動(dòng)力電池的工程需求，它需要一個(gè)較大的能量密度提升過程，這就給了某些投機(jī)者的鉆營空間，還起了個(gè)好聽的名字——石墨烯鋰電池。目前成熟鋰電池制造主要是采用石墨作為負(fù)極材料。
石墨烯負(fù)極材料
石墨烯由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)勢極有潛力替代石墨成為新一代鋰電池負(fù)極材料。石墨烯的儲鋰機(jī)制與其他碳材料相似，充電時(shí)鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時(shí)鋰離子脫出返回正極。
因此較之石墨，以石墨烯為負(fù)極更有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來，很多學(xué)術(shù)研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達(dá)500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。
石墨烯負(fù)極材料在鋰電池中的作用
與傳統(tǒng)鋰電池負(fù)極材料相比較，石墨烯作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，可有效提高相應(yīng)電池的比容量，增強(qiáng)電極和電解液之間的導(dǎo)電接觸，改善其充/放電倍率性能。同時(shí)，石墨烯“柔韌”的單原子層二維結(jié)構(gòu)也可有效抑制電極材料在充放電過程中發(fā)生體積變化引起的材料膨脹、粉化等，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，通過化學(xué)氧化插層—剝離—再還原法合成的化學(xué)還原石墨烯表面含有特定的含氧化學(xué)基團(tuán)，如羧基、羥基和環(huán)氧基等，可為其結(jié)構(gòu)和表面功能改性以及與其他材料的復(fù)合提供豐富的反應(yīng)和鍵合位點(diǎn)，也為三維超結(jié)構(gòu)石墨烯基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和合成提供多種可能的途徑。
由于石墨烯片之間較強(qiáng)的π-π疊合作用，石墨烯可團(tuán)聚形成類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響鋰離子的嵌脫。這也證明純石墨烯并非是一種理想的鋰電池電極材料。
因此，近兩年來石墨烯基納米復(fù)合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/無機(jī)納米粒子等復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料研究。通過納米粒子與石墨烯之間的有效復(fù)合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團(tuán)聚，有利于鋰離子的嵌脫。
鋰離子電池被廣泛地應(yīng)用在我們的生活中，使得我們的生活變得更加方便。
一項(xiàng)科技產(chǎn)品誕生往往會改變?nèi)藗兊纳睿瑸槿藗兊纳顜順O大的便利?？赡芎芏嗳硕歼€記得，以前用過的手電筒里面的電池，那是用一根石墨棒外面包裹著碳來發(fā)電的。這種電池重量大而且還不能循環(huán)使用，處理的時(shí)候還不能扔進(jìn)垃圾箱，因?yàn)樗鼤茐耐恋氐纳L能力。就被慢慢的淘汰了，取而代之的就是鋰電池。
鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池放電是靠化學(xué)的氧化還原反應(yīng)。放電時(shí)，也就是我們在使用電池消耗電量的時(shí)候，它的正極會嵌入鋰離子，負(fù)極鋰離子落嵌。充電的時(shí)候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池產(chǎn)生電量。
1、電池充電時(shí)，Li從磷酸鐵鋰晶體內(nèi)面遷移到晶體表面，在電場力的作用下，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨晶體的表面，然后嵌入石墨晶格中。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向正極的鋁箔集電極，經(jīng)極耳、電池極柱、外電路、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的銅箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到石墨負(fù)極，使負(fù)極的電荷達(dá)至平衡。鋰離子從磷酸鐵鋰脫嵌后，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵。
一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產(chǎn)生泡沫，反而不滿。
2、電池放電時(shí)，Li從石墨晶體中脫嵌出來，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到磷酸鐵鋰晶體的表面，然后重新經(jīng)010面嵌入到磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)。與此同時(shí)，電池經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的銅箔集電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、外電路、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔集流體，再經(jīng)導(dǎo)電體流到磷酸鐵鋰正極，使正極的電荷達(dá)至平衡。
鋰離子電池的應(yīng)用
一、交通動(dòng)力電源領(lǐng)域主要包括：電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車(電動(dòng)大巴/中巴車、電動(dòng)特種車
二、電力儲能電源領(lǐng)域主要包括：大型太陽能/風(fēng)能電力儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰電源、電力專用不間斷電源系統(tǒng)、一體化電源系統(tǒng)、光伏離網(wǎng)并網(wǎng)儲能電站系統(tǒng)
三、移動(dòng)通信電源領(lǐng)域主要包括：一體化鋰電池電源、戶外一體化基站鋰電池電源、邊際網(wǎng)基站鋰電池電源、非物理站點(diǎn)鋰電池備電、FTTX的多種鋰電池備電、通信機(jī)樓336VHVDC數(shù)據(jù)中心備電、可再生能源基站電源、IDC機(jī)樓的鐵鋰電池儲能電站
四、新能源儲能動(dòng)力電源：太陽能路燈、草坪燈、礦燈、應(yīng)急燈、庭院燈、高桿燈、起動(dòng)電源、電動(dòng)工具、電動(dòng)玩具、電動(dòng)割草機(jī)，電動(dòng)捕魚器等、電動(dòng)模型、航模、電動(dòng)機(jī)器人
五、航天軍工電源：大型艦船類動(dòng)力電源、航空飛行器所用動(dòng)力電源、航天載具動(dòng)力電源系統(tǒng)、軍用裝甲，民用大型挖掘器械所用動(dòng)力電源
鋰離子電池的安全隱患
一般來說，鋰離子電池出現(xiàn)安全問題表現(xiàn)為燃燒甚至爆炸，出現(xiàn)這些問題的根源在于電池內(nèi)部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會導(dǎo)致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會發(fā)熱，如果產(chǎn)生的熱量超過了電池?zé)崃康暮纳⒛芰?，鋰離子電池就會過熱，電池材料就會發(fā)生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)和負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)等破壞性的副反應(yīng)。
作為充電的鋰離子電池，鋰電池輸出電壓穩(wěn)定、輸出電壓高、性能穩(wěn)定、容量大、使用壽命長、工作溫度范圍廣、安全性好以及環(huán)保無污染，因此在未來鋰電池發(fā)展道路上具有很大的上升空間，但還需不斷研究以求達(dá)到改善其自身缺陷的目的。
眾所周知，電池的能量密度和壽命是兩個(gè)最重要的評價(jià)指標(biāo)，而鋰電池又是當(dāng)今能量密度最高的二次電池。但作為動(dòng)力電池的工程需求，它需要一個(gè)較大的能量密度提升過程，這就給了某些投機(jī)者的鉆營空間，還起了個(gè)好聽的名字——石墨烯鋰電池。目前成熟鋰電池制造主要是采用石墨作為負(fù)極材料。
石墨烯負(fù)極材料
石墨烯由于其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子傳輸能力以及超大的比表面積等優(yōu)勢極有潛力替代石墨成為新一代鋰電池負(fù)極材料。石墨烯的儲鋰機(jī)制與其他碳材料相似，充電時(shí)鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料層間形成形成Li2C6，放電時(shí)鋰離子脫出返回正極。
因此較之石墨，以石墨烯為負(fù)極更有利于提高電池性能。從石墨烯電池的概念提出以來，很多學(xué)術(shù)研究成果表明石墨烯鋰電池可逆容量可達(dá)500mAh/g以上，以及具有出色的倍率性能。
石墨烯負(fù)極材料在鋰電池中的作用
與傳統(tǒng)鋰電池負(fù)極材料相比較，石墨烯作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，可有效提高相應(yīng)電池的比容量，增強(qiáng)電極和電解液之間的導(dǎo)電接觸，改善其充/放電倍率性能。同時(shí)，石墨烯“柔韌”的單原子層二維結(jié)構(gòu)也可有效抑制電極材料在充放電過程中發(fā)生體積變化引起的材料膨脹、粉化等，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
此外，通過化學(xué)氧化插層—剝離—再還原法合成的化學(xué)還原石墨烯表面含有特定的含氧化學(xué)基團(tuán)，如羧基、羥基和環(huán)氧基等，可為其結(jié)構(gòu)和表面功能改性以及與其他材料的復(fù)合提供豐富的反應(yīng)和鍵合位點(diǎn)，也為三維超結(jié)構(gòu)石墨烯基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和合成提供多種可能的途徑。
由于石墨烯片之間較強(qiáng)的π-π疊合作用，石墨烯可團(tuán)聚形成類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響鋰離子的嵌脫。這也證明純石墨烯并非是一種理想的鋰電池電極材料。
因此，近兩年來石墨烯基納米復(fù)合材料，如石墨烯/碳納米管、石墨烯/碳60(C60)、石墨烯/無機(jī)納米粒子等復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料研究。通過納米粒子與石墨烯之間的有效復(fù)合，可有效阻止石墨烯片之間的疊合/團(tuán)聚，有利于鋰離子的嵌脫。
鋰離子電池被廣泛地應(yīng)用在我們的生活中，使得我們的生活變得更加方便。
