表述锂离子电池储能大小的参数是能量密度,在数值上大约相当于电压与锂电池容量的乘积,为了有效提高锂电池的储电量,人们一般会用增加电池容量的方法达到目的。但是,限于所用原材料的性质,容量提升总是有限度的,于是提高电压值成为提升锂电池储电能力的另一条途径。大家知道,锂电池标称电压是3.6V或3.7V,高电压是4.2V。那么,锂电池的电压什为什么不能获得更大的突破呢?说到底,这也是由锂电池的材料及结构性质决定的。
锂电池的电压是由电极电势决定的。电压也称作电势差或电位差,是衡量电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。锂离子的电极电势约是3V,锂电池的电压随材料不同而有变化。如,一般的锂离子电池额定电压为3.7V,满电电压为4.2V;而磷酸铁锂电池额定电压为3.2V,满电电压为3.65V。换句话说,实用中的锂离子电池正极和负极之间的电势差不能超过4.2V,这是一种基于材料和使用安全性的需要。
假如以Li/Li+电极为参照电位,设μA为负极材料的相对电化学势,μC为正极材料的相对电化学势,电解液电势区间Eg为电解液低电子未占有能级和高电子占有能级之差。那么,决定锂电池高电压值的就是μA、μC、Eg这三个因素。
在所有元素中,锂具有最负的标准电极电位(-3.045V vs. SHE,即相对于标准氢电极为-3.045V),且锂原子得失1mol电子所需的质量最轻(原子量为6.94g/mol,密度为0.53g/cm3)。锂的理论比容量可达到3860Ah/kg,而锌和铅分别只有820Ah/kg和260Ah/kg。因此,以锂作为负极的电池具有电压高和理论能量密度高等特点。锂电池的研究历史可以追溯到20世纪50年,一次锂电池于70年进入实用化,bao括Li/MnO2电池、Li/SO2电池、Li/SOCl2电池和Li/(CF)n电池等。为了实现能源的可持续性,人们开始研究锂二次电池。
Stanford大学团队于1970年研究嵌入化学反应,采用TiS2作为正极,以锂作为负极,制成了嵌入式正极材料锂二次电池[2],由于锂的枝晶问题影响电池安全,以加拿大Moli公司1990年电池产品发生安全事故为标志,以锂为负极的二次电池技术研究进入低潮,之后即进入锂离子电池时。Armand等于1977年报道了锂石墨插层化合物等[3],至1980年基本形成了嵌入化合物作为锂离子电池电极的概念[4],同年,Good enough等合成出层状嵌入化合物LiMO2(M=Co,Ni,Mn),并且发现其中的锂离子可逆的脱嵌和嵌入[5],钴酸锂成为锂离子电池的{dy}正极材料。1990年,日本公司开发出个商业化的锂离子电池[6],全球开始兴起了锂离子电池研究的热潮。
锂离子电池工作原理见图5。电池负极一般是碳素材料,正极是含锂的过渡氧化物LiCoO2或LiMn2O4,LiFePO4等,电解质是锂盐的有机溶液或聚合物。充电时,正极中的锂离子脱离LiCoO2或LiMn2O4晶体,经过电解质嵌入碳材料负极;放电时则相反。用LiCoO2作正极活性物质的锂离子电池反应为:
放电时:Li1-xCoO2+LixC6→LiCoO2+6C;
充电时:LiCoO2+6C→Li1-xCoO2+LixC6。
锂离子电池具有工作电压高、重量轻、体积小、无记忆效应、自放电率低、循环寿命长等优点,已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、PDA等移动终端产品。纯电动汽车动力电池的容量决定了车辆的续航能力,大电流放电能力决定车辆加速能力,因此,高比能量和大功率锂离子电池成为选的电动汽车电池
锂离子电池具有能量密度高、转换效率高、循环寿命长、无记忆效应、无充放电、自放电率低、工作温度范围宽和环境友好等优点,因而成为电能的一个比较理想的载体,在各个领域得到广泛的应用。
一般而言,我们在使用锂离子电池的时候,会gz一些技术指标,作为衡量其性能“优劣”的主要因素。那么,哪些指标是我们需要在使用的时候,应该予以特别gz呢?
1.容量
这是大家比较关心的一个参数。智能手机早已普及,我们在使用智能手机的时候,最为担心的就是电量不足,需要频繁充电,有时还找不到地方充电。早期的功能机,正常使用情况下,满充的电池可以待机3~5天,一些产品甚至可以待机7天以上。可是到了智能机时,待机时间就显得惨不忍睹了。这里面很重要的一个原因,就是手机的功耗越来越大,而电池的容量却没有同比例的增长。
容量的单位一般为“mAh”(毫安时)或“Ah”(安时),在使用时又有额定容量和实际容量的区别。额定容量是指满充的锂离子电池在实验室条件下(比较理想的温湿度环境),以某一特定的放电倍率(C-rate)放电到截止电压时,所能够提供的总的电量。实际容量一般都不等于额定容量,它与温度、湿度、充放电倍率等直接相关。一般情况下,实际容量比额定容量偏小一些,有时甚至比额定容量小很多,比如北方的冬季,如果在室外使用手机,电池容量会迅速下降。