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村田专家带你了解锂离子电池的工作原理和特点

发布时间:2022-05-23 来源:Murata 责任编辑:wenwei

【导读】锂离子电池不仅被用作为电脑、智能手机的充电式电池,也被广泛用于我们生活中的电器产品、电动汽车、产业机械、尖端科技等各个领域。为何会被众多产品所采用?它给我们的生活带来了哪些变化?以及今后的发展趋势,让我们基于专家的见解来了解一下吧~


在本系列中,我们就锂离子电池的特点、使用场景、历史以及今后的可能性等,在东京工业大学特命教授菅野了次先生的监修下,分五讲做一个全面介绍。


监修人:菅野了次


东京工业大学 科学技术创成研究院 特命教授(名誉教授)


菅野了次先生于1980年大阪大学研究生院理学研究科无机及物理化学专业课程结业。1985年成为理学博士。任神户大学理学部副教授后,2001年任东京工业大学研究生院综合理工学研究科教授,2016年任该大学物质理工学院教授,2018年任该大学科学技术创成研究院教授、全固态电池研究组组长,2021年任该科学技术创成研究院特命教授、全固态电池研究中心主任。


1. 什么是锂离子电池?


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锂离子电池是装在我们日常所用的智能手机和笔记本电脑等设备里的充电式电池。电池的原型发明于18世纪末,其后经过二百多年的岁月发展至今。锂离子电池是在电池发展过程中诞生的现在最新型电池之一。


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圆柱形锂离子电池


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叠层形锂离子电池


锂离子电池的特点:


电池分为只能用一次的干电池“一次电池”和能多次充电使用的电池“二次电池”。锂离子电池是能够充电的二次电池,与其他类型的电池相比,不仅能小型轻量化,而且能储存的电能高。


2. 锂离子电池产生电的工作原理


除了锂离子电池之外,电池还有其他各种类型,实际上电池产生电的基本工作原理都相同。


电池里有使用金属材料的正电极(正极)和负电极(负极),借由离子而导电的物质(电解质)充满在正负极之间。金属电极被电解质熔化,分为离子和电子,电子从负极向正极移动产生电流,这时便产生电。二次电池是在开始使用电池之前通过充电,预先将电子储蓄在负极,使用电池时储蓄的电子向正极移动从而产生电。


锂离子电池是预先在正极使用含锂金属化合物,负极使用能吸储锂的碳(石墨)。通过这样的结构,无须如传统电池一般由电解质熔化电极就能发电,从而减缓了电池本身的老化,不仅能储蓄更多的电,充放电的次数也得以增加。此外,锂是非常小而轻的物质,从而能使电池具有小型轻量化等各种优点。


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锂离子电池产生电流的工作原理


3. 锂离子电池也有不同的种类吗?


根据正极所用的金属材料的不同,锂离子电池分为几个种类。最初锂离子电池的正极所用的金属材料是钴。不过钴的产量几乎与锂同样少,也是稀有金属,制造成本高。因此开始使用廉价且环境负荷小的材料,例如锰、镍、铁等金属。锂离子电池按其所使用的材料而分类。


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锂离子电池的种类和特点


下面来看看各种类分别都有哪些特点。


钴系锂离子电池


正极使用钴酸锂。钴酸锂比较容易合成,便于使用,因而锂离子电池最早量产的是钴酸锂离子电池。但由于钴是稀有金属,价格昂贵,几乎没有被用于汽车零件。


锰系锂离子电池


正极使用锰酸锂。优点是电压能与钴系锂离子电池差不多,而且制造成本廉价。缺点是充放电中锰可能会熔化于电解质,缩短电池的寿命。


磷酸铁系锂离子电池


正极使用磷酸铁锂。磷酸铁系锂离子电池的优点在于即使内部发热结构也难以损坏,安全性高,而且以铁为原料,制造成本比锰系更低。但是电压比其他的锂离子电池低。


三元系锂离子电池


三元系锂离子电池是为了减少钴的用量,使用钴、镍、锰三种材料制造的电池。现在三元系锂离子电池大多镍的比例较高。虽然电压比钴系、锰系略低,但能减少制造成本。不过虽说如此,各个材料的合成制备较难,稳定性低等,作为实用材料尚存在有待解决的课题。


4. 铅蓄电池与锂离子电池的区别是什么?


除锂离子电池之外,还有几种能充电的电池。其中铅蓄电池是一百多年前就使用的历史悠久的电池,在锂离子电池等新型电池开发问世的现今,依然还继续用作汽车的蓄电池。


铅蓄电池与锂离子电池的区别


铅蓄电池的正负极材料都使用铅,因而与锂离子电池相比,制造成本非常廉价。但由于铅比其他金属重,因此蓄电池自身也就重。此外电压最高只能到2V,自放电大也是铅蓄电池的缺点。


现在依然使用铅蓄电池的原因


虽然铅蓄电池有着这些缺点,但汽车的蓄电池没有换成锂离子电池等高性能二次电池的原因还是在于它的廉价,以及技术基本成熟,可靠性高。汽车充分利用铅蓄电池的特性,确立了再循环系统。如果换成新型电池,需要修改电路设计,基于目前铅蓄电池仍足以能发挥作用的状况,厂家也不想格外多付出成本。


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铅蓄电池与锂离子电池的比较


虽说如此,锂离子电池已被用作驱动电动汽车、电油混合动力车等的发动机的二次电池,说不定未来汽车也会不使用铅蓄电池了。


5. 锂离子电池被用于哪些领域?


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1990年代上半叶首款商品化的家电用锂离子电池被用于摄像机以满足其小型轻量化的需求。其后接连不断地被用于当时迅速普及的手机,市场需求瞬间高涨。


如今锂离子电池已被广泛用于我们生活中的各个场景,诸如智能手机、笔记本电脑,以及电动汽车、电动自行车等各个领域。


6. 锂离子电池的安全性如何?


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其实电池可以说是能源罐头。能以每单位体积大密度储能的锂离子电池比其他种类的电池更需要考虑到安全性。而且从使用具有可燃性的有机溶剂这一点来说,在操作使用上也需要比使用水溶液的其他电池更加小心谨慎。


最应该避免的是内部短路问题。内部短路指外部施力造成电池变形,正极与负极直接接触的状态。电流集中于此,导致温度升高,电池起火之类的严重事故。即便是极小的杂质,一旦混入电池内部,就可能会造成内部短路,这就需要设计保护电路,使电池内无多余的电流流动,让电池具备防事故功能。


其他还有使用冷却装置等手段,将电池的工作环境保持在60℃以下,控制电池的温度也很重要。在正负极之间设置隔膜,如果超过一定的温度,隔膜在正负极之间起到完全阻隔的作用等等,动脑筋用各种方法提高安全性。


如本讲所述,与以前的二次电池相比,小型轻量且高性能的锂离子电池似乎今后仍会被用于我们生活中的各个场景。



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