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液态锂电池的工作原理

时间:2014-12-9 10:04:43来源:本站原创浏览次数:

组成材料

    锂离子电池主要由电极、电解液、隔离层和容器四个基本部分组成,见图2.2。

    (1)电极由它的极性又分为正极材料和负极材料。最常见的负极材料为石墨;正极材料种类则比较多,如图2.3 所示,蔡少伟等人对正极材料的种类和各自的特点做了全面的总结

图2.3 正极材料
    (2)电解液可以分为两类:一类是酸、碱、盐的水溶液;另一类是有机电解质溶液。电解液是正负电极传递锂离子的载体,因此它决定了电池的容量、循环效率、倍率、高低温放电、高温贮存、寿命和安全性等性能[23,24]。有机电解液一般有以下物质组成:溶剂、电解质锂盐和添加剂。常用的有机溶剂有碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯,不同的溶剂对电池的各项性能影响很大。如介电常数大的溶剂能降低锂离子之间的引力,充分自由化锂离子;溶剂闪点决定了锂离子的最高工作温度[25,26]。锂离子盐是提供锂离子的物质,它主要有无机盐和有机盐两个系列。添加剂是能显著改善锂离子性能的一种物质。如成膜添加剂能阻止溶剂对电极的破坏,提高电极的嵌锂和脱锂的容量和循环寿命。除此之外还有防过充添加剂、导电率添加剂、阻燃添加剂等。

    (3)隔离层是一层有机物薄膜,膜中有丰富的曲折贯通的微孔。这种微孔可以阻止粒径较大的电解液通过,但粒径较小的锂离子可以自由通过,形成电池内部的通电回路。因此隔离层将正负电极分成两个部分,可以防止电池内部发生短路,起到了隔离作用[27-29]。

    (4)容器为电池的包装金属外壳,它主要起到了保持电池的外形和保护内部电芯的作用,一般电池的外壳与电芯的正负极相连。

工作原理

    锂离子电池的充放电过程就是Li+在正负极材料的嵌入和脱嵌并伴随着能量的吸收和释放的过程。给锂离子电池充电:Li+从正极材料中脱嵌,经电解液到达负极,吸收电子后嵌入负极材料中形成能量较高嵌入化合物。锂离子电池放电:

    Li+从负极材料中脱嵌并释放电子,Li+经电解液达到正极,吸收电子后嵌入正极材料形成较为稳定的嵌入化合物。图2.4 为锂离子嵌入石墨的示意图。

图2.4 锂离子嵌入石墨示意图
    锂离子电池的正极和负极材料都是离子和电子的混合导体嵌入化合物,电子只能在正极和负极材料中运动。充放电过程需要锂离子和电子共同作用,这就要求锂离子电极材料具有良好的导电性和离子的扩散能力,以保证在放电过程中电子通过电极极耳迅速传导到外电路,锂离子在负极材料脱嵌后迅速扩散到电解液;电解液中的锂离子被载体送达正极材料,与电子结合形成嵌入化合物。
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