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我們經常說的“鋰電池”,其學名叫鋰離子二次電池。目前電子產品使用的電池以及電動汽車所使用的動力電池均為鋰離子二次電池,可進行多次充放電。鋰離子電池主要由四部分組成:正極、隔膜、電解質以及負極[26]。鋰離子電池的改性與最佳化也主要集中在這四種材料。我們在此對這四種材料進行簡短敘述,更好的瞭解鋰離子電池的組成。
正極材料在整個電池成本中佔40%(主要是鈷元素),由於價格過高以及相關效能的限制,導致正極材料一直制約著鋰離子電池的發展。因此正極材料是整個電池的關鍵所在。正極材料應該具有以下幾個特點才能滿足電池正常工作:脫嵌鋰電位要高、能夠可逆性的脫嵌鋰離子、較好的電解質相容性、高的脫嵌鋰容量、較高的穩定性、成本較低、製備工藝簡單等。目前商業使用的正極材料主要有LiCoO2、LiFePO4和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等過渡金屬嵌鋰氧化物,這主要是因為這類正極材料開發較早,技術成熟,效能優異等特點。其他正極材料還有LiNiO2、LiMnO2、LiFeMnPO4以及等。為了滿足高比能量的要求,目前仍處於實驗階段的Li-O2電池中正極反應物為O2(理論比容量高達3828mAh/g),電池中的正極反應物為單質S(理論比容量高達1675 mAh/g)。
負極材料在整個電池成本中佔大約15%。負極材料主要包括:無機非金屬類(C、Si)、金屬-非金屬複合類、金屬類(Li)、金屬氧化物(SnO2)等。負極材料的選擇一般根據以下幾點:低脫嵌鋰離子電位、容量高、電化學迴圈效能好、充放電過程中尺寸穩定性好、機械效能較強、價格低廉、製備工藝簡單等特點。儘管金屬鋰負極具有高比容量(3860 mAh/g),但是由於具有很大的安全隱患,在商業化應用中受到限制。目前的解決方法有選擇具有柔性的聚合物電解質以及修飾鋰負極表面避免鋰金屬暴露於電解液中,進而阻止鋰枝晶的生長。
鋰離子電池工作的前提是正負極之間存在電勢差,直接的接觸會導致電池斷路,因此隔膜是保證電池正常工作的前提之一。它可以防止內部短路,併為鋰離子傳輸提供通道的作用。因此,電池隔膜的選擇一般遵循以下特點:a. 較好的機械效能,在鋰離子電池迴圈工作的過程中不易發生形變;b. 良好的電子絕緣性,隔絕電池正負極,防止短路;c. 適宜的微孔和孔隙率,為鋰離子傳輸提供充足的通道,並防止電池內部微短路;d. 與電解液之間應具有良好的相容性,且允許電解液完全浸潤;e. 電化學效能穩定,耐腐蝕性好,不與電解液反應,在電池工作過程中不分解;f. 性質均勻,厚度適中,阻抗小;易實現商業化生產。多孔性聚烯烴(聚丙烯、聚乙烯)、纖維素等均是目前電池中常用的商業化隔膜。綜上所述,隔膜材料的效能好壞會直接影響電池是否發揮良好的效能。
電解質在電池中起著輸送和傳導鋰離子、連線正負極的橋樑作用。電解質的種類繁多,根據所處狀態可分為液體電解質、固態電解質、凝膠電解質等。鋰離子電池電解質一般滿足以下要求:a. 具有較高的鋰離子電導率;b. 熱穩定性好,在較寬的溫度範圍內均不發生分解;c. 寬的電化學視窗,至少在4.5 V下不發生分解;d. 自身的化學性質穩定,不與電池中的其他材料發生反應;e. 蒸氣壓低,安全效能好;f. 成本低,製備工藝簡單。聚合物電解質除了需要有以上效能外,還需要具備易成膜,機械效能好,高溫下不易發生分解,不易燃等特性。
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3 # 鋰電馬工
我們常見的鋰電池有不同形狀,不同電壓,不同容量,不同倍率等引數,那這些鋰電池是由什麼材料組成,鋰電老兵馬工為你分析。
生活中常見圓柱形電池,一般生產廠家對單支電池叫做電芯,一組電池叫做電池組。
圓柱電芯通常包括
(1)金屬殼體
(2)正極——活性物質
(3)隔膜——一種特殊的複合膜
(4)負極——主要材料為石墨
(5)電解液
正極材料、隔膜、負極材料經過組裝安裝到殼體內,再按工藝新增電解液後進行化成分容,這就是電芯從原材料開始到成品過程。
電池組通常包括
1、電芯
2、保護板
3、連線片/線材
4、絕緣材料
5、殼體
電芯按串並聯要求,採用連線片進行組裝焊接,安裝保護板、連線線材或者接插頭和絕緣材料,最後裝入殼體,再進行相應的電池組測試專案,這就是電池組的材料組裝。
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本人在電池廠工作,舉例聚合物鋰電池,主要由正極,負極,電解質,隔膜,外殼。
正極材料一般選擇相對鋰而言電位大於3V且在空氣中穩定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極,如LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4。
負極材料包括各種碳材料:天然石墨,合成石墨,碳纖維,中間相小球碳素等和金屬氧化物,包括SnO、SnO2錫複合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2+3x+5y)/2)等。
電解質採用LiPF6的乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯和低粘度二乙基碳酸酯等烷基碳酸酯搭配的混合溶劑體系。
隔膜採用聚烯微多空膜如PE、PP或它們的複合膜。
外殼採用鋼或鋁材料