锂离子电池

锂离子电池是一种可充电的电池类型，用于为电子设备供电。它是一种可多次充电的充电设备。它是便携式电子设备常用的电源，广泛应用于军事和航空航天领域。

锂离子电池的平均寿命约为两年。它不应与锂电池混淆。

锂电池不可充电，而锂离子电池是可充电电池。锂电池在极低温度下也能工作的能力增加了锂离子电池在各个领域的受欢迎程度。

历史

• 电池是由美国博学家本杰明·富兰克林于1749年发明的。
• 此后，大约在1800年，意大利化学家和物理学家亚历山德罗·伏打批准了电池的发明。
• 丹尼尔电池是1836年发明的第一个被认为是实用能源的电池。
• 1985年，日本化学家吉野彰开发了锂离子电池的原型。他的原型基于其他科学家在过去10到15年的研究。
• 大约在1991年，日本跨国公司索尼和旭化成公司开发了第一款商用锂离子电池。该产品是基于吉野彰的原型开发的。

锂离子电池的工作原理

让我们来讨论一下锂离子电池的组成和工作原理。

结构

锂离子电池的结构如下图所示

组成部分

电池由三个部分组成：两个电极和一个电解质。电极分别称为阴极和阳极，而电解质是带电离子从一个电极移动到另一个电极的溶液。

电池的阴极和阳极分别带正电和负电。

锂离子电池内的过程

如前所述，锂离子电池是一种可充电电池。这意味着它包含两个过程：充电和放电。电池的充电状态为外部连接的电路提供电流。

放电

锂离子从负电极（阳极）移动到正电极（阴极）为外部电路提供能量。离子的移动通过电解质进行。这被定义为电池的放电状态。该过程会损失能量，因为它正在为外部电路提供能量。

充电

同样，带电离子返回阳极的运动被定义为电池的充电状态。充电是一个重新获得能量的过程。外部电压源在充电过程中为电池提供能量。正电极（阴极）通过电解质将锂离子提供给阳极（负电极）。电池存储来自外部源的能量。

这些能量在电池连接到外部电路时使用。当电池向外部电路供电时，再次发生放电。这个循环会不断地为电池充电。因此，我们可以说锂离子电池可以多次充电。

材料

材料指用于制造阴极、阳极和电解质的材料。

正极

正极的材料通常是金属氧化物。它包括氧化钴锂、锰酸锂等。这意味着阴极材料是添加了锂的金属氧化物。它在放电过程中释放锂离子，为外部电路提供能量。

锂离子电池有助于增加阴极和阳极之间的电势差，从而提高电压。

负极

负极或阳极使用石墨粉作为材料。石墨粉涂覆在铜箔上作为电极。

• 选择石墨作为阳极材料的原因如下：
• 高导电性
• 它可以轻松地将锂离子置于其层之间。
• 锂离子电池的可逆过程可维持数千个循环。
• 提供足够的能量密度
• 可靠
• 安全材料

粘合剂

粘合剂是将电极材料颗粒固定在一起的材料。它在电池重量中所占的比例非常小。它是电池的一个重要组成部分，能提供一些好处，例如提高安全性和提高容量。

电解质

电解质是作为导体的锂盐。离子通过电解质从一个电极移动到另一个电极。电解质在锂离子电池中的主要作用是作为锂离子在阴极和阳极之间移动的介质。

工作方式

让我们来讨论一下锂离子电池的工作原理。

电池内部会不断地发生化学反应以使其工作。没有内部化学反应，电池就无法工作。我们知道电是电子从负极流向正极。电子的流动来自于电池内的锂元素。锂位于电池的负极或阳极。它存在于碳石墨的层之间。石墨的结构将锂保存在其层中。它作为锂原子的稳定存储空间。

锂原子会释放其外层轨道上的外层电子。当找到路径时，锂会从负极一侧移动到正极一侧。当一组锂原子离开石墨时，就会导致电子从阳极流向阴极。

同样，在充电过程中会发生相反的过程。电荷提供更大的力使电子向相反方向流动。来自阴极的电子将锂离子推回阳极。锂原子被推入石墨并重新固定在石墨的层中。

锂离子电池的类型

锂离子电池有多种类型，例如锰酸锂、钴酸锂电池等。锂电池在日常生活中的大多数应用中都有使用。锂电池具有多种优点，如重量轻、寿命长、能量密度高等，使其成为绝佳选择。

锰酸锂

锰酸锂以锰氧化物作为阴极材料。它具有低内阻、高热稳定性、更好的安全性和增强的电流。

低内阻的好处是它支持快速充电。

钴酸锂

钴酸锂电池由于其高比能量，被用于数码相机、计算机和移动设备。阴极材料是氧化钴，而阳极材料是石墨碳。

但它也有一些缺点，如寿命较短和热稳定性低。

磷酸铁锂

磷酸铁锂以磷酸盐作为阴极材料。使用此类电池的优点是具有良好的热稳定性、长寿命和高电流。它适用于需要良好安全性和长寿命的应用，例如电动摩托车。

镍钴锰酸锂

镍、钴、锰三种元素的组合被认为是锂离子电池阴极的最佳材料。镍、锰和钴的贡献百分比分别为60%、20%和20%。镍具有高比能量的优势，而锰具有低内阻。

镍钴铝酸锂

镍钴铝酸锂的主要用途是用于电动动力系统。它提供高能量密度和长寿命。与其它类型的锂离子电池相比，此类电池的缺点是安全性低且成本高。为确保动力系统的安全，会持续监测其性能。

钛酸锂

钛酸锂电池可以快速充电。钛酸锂电池的主要问题是与其它类型的锂离子电池相比能量密度较低。但其能量密度高于非锂离子电池。常见应用包括航空航天、备用电源等。

锂离子电池的优点

锂离子电池的优点如下：

• 寿命长
  锂离子电池的平均寿命约为两到三年。但根据储存条件，其寿命可以延长。例如，锂离子电池在放电状态下储存时会更快退化。这是由于不必要的化学反应。如果将其充电状态储存，其性能会更好。
  这意味着平均而言，锂离子电池可以承受高达300到500个充电周期。此类电池的日益普及促使了各种寿命更长的电池的开发。例如，Master-volt 锂离子电池的寿命超过2000个充电周期。
• 快速充电
  如今，超快速锂离子电池已上市，充电所需时间非常短。这意味着此类电池的停机时间比其他电池短。由于其低功耗，它还可以节省能源和成本。
• 低维护
  锂离子电池没有记忆效应，因此维护需求较低。它的自放电能力也很低。因此，它经常用于燃油表应用。
• 更长的运行时间
  与铅酸电池相比，锂离子电池在放电状态下的性能不会下降。
• 使用更安全
  只要电池没有缺陷和损坏，锂离子电池操作起来更安全。与其它化石燃料替代品相比，它是一种更安全的环境替代品。此类电池在汽车中的使用也减少了碳排放量。
• 高能量密度
  这是锂离子电池最重要的优点之一。与目前使用的其他类型电池相比，它具有最高的能量密度。锂电池提供的电压也比用于为便携式设备供电的其他技术高三倍。
• 多种可用类型
  锂离子电池有多种类型。这意味着对于特定的技术，我们可以使用所需的电池类型。某些类型的锂离子电池提供高电流水平，而某些则提供高能量密度。这取决于各种技术的需要。
• 无需预充
  一些可充电电池在第一次充电周期后需要预充。预充是指为了提高电池性能而进行的过程。这通常在锂基电池上进行。长时间储存后，电解质可能会沉到底部。因此，进行预充以提高其功能。

锂离子电池的缺点

锂离子电池的缺点如下：

• 电池重量
  由于其中包含的能量量，充电电池比放电电池重。但是，与相同尺寸的其他电池相比，锂离子电池要轻得多。
• 需要妥善存放
  锂离子电池应储存在充电状态。这是因为放电状态下的化学反应会损坏电池。为了更好地储存，电池的最低必需充电百分比约为40%。储存此类电池的适宜温度介于5至20摄氏度之间，或在室温下。
• 昂贵的回收方法
  与铅酸电池相比，锂离子电池的回收过程更为复杂。大多数电池都可以回收，但这会导致回收过程成本增加。
  回收百分比取决于所使用的分离技术。
• 不适合高温
  最新开发的锂离子电池可以在高达150摄氏度的温度条件下运行。对于更高的温度，可以使用不可充电的锂金属电池。
  高温会因过热而损坏锂离子电池。
• 运输受限

大多数运输公司禁止批量运输锂离子电池。这是因为与之相关的风险。

• 费用

锂离子电池的成本远高于其他类型的电池，如镍镉电池。这是因为其高能量密度和大电流处理能力。

锂离子电池的应用

锂离子电池的应用如下：

• 太阳能存储
  近年来，由于在沙漠等特定地区阳光充足，太阳能的使用越来越普遍。锂离子电池用于储存太阳能，以便在没有阳光的地区使用。
  太阳能电池板产生低电阻充电，这是锂离子电池的基本要求。因此，它被认为是储能的最佳选择。
• 车辆动力来源
  大多数汽车制造商依赖锂离子电池作为车辆的动力来源。近年来，此类电池为长途旅行提供了可观的动力。与传统电池相比，锂离子电池的重量正在减轻。
• 备用电源
  备用电源或UPS可以保护连接的设备免受突然断电的影响。当没有电源时，它会为设备提供即时能量。它还可以作为计算机、医疗设备等的应急备用电源系统。
• 移动设备
  轻巧的锂离子电池提供快速充电、长寿命、低自放电和其他移动设备的优势。

安全隐患

为确保锂离子电池的安全处理和使用，存在一些安全隐患。如下列出：

• 掉落和挤压电池可能会损坏电池。
• 高温会导致电池因过热而损坏。
• 避免将锂离子电池存放在炎热的环境中。
• 使电池远离阳光直射。
• 使此类电池远离易燃物质。
• 避免过度给锂离子电池充电。
• 为长期安全储存，请将电池从特定设备中取出。
• 新旧电池应分开存放。
• 不要过度放电锂离子电池。