锂电池结构与原理.docx

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锂电池结构与原理

锂原理和结构

1、锂离子电池的结构与工作原理：

所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。

人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。

以LiCoO2为例：

⑴电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。

这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。

⑵为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz（x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=（2＋3x＋5y）/2）等。

2、电池一般包括：

正极（positive）、负极（negative）、电解质（electrolyte）、隔膜（separator）、正极引线（positivelead）、负极引线（negativeplate）、中心端子、（insulator）、安全阀（safetyvent）、密封圈（gasket）、（正温度控制端子）、电池壳。

一般大家较关心正极、负极、电解质

的详细介绍

1、锂离子电池

锂离子电池目前由液态锂离子电池（）和聚合物锂离子电池（）两类。

其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。

正极采用锂化合物LoO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物。

锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是21世纪发展的理想能源。

2、锂离子电池发展简史

锂电池和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。

这种电池的负极是金属锂，正极用MnO2，SOCL2，（CFx）n等。

70年代进入实用化。

因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等、部分代替了传统电池。

3、锂离子电池发展前景

锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。

目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。

4、电池的基本性能

（1）电池的开路电压

（2）电池的内阻

（3）电池的工作电压

（4）充电电压

充电电压是指二次电池在充电时，外电源加在电池两端的电压。

充电的基本方法有恒充电和恒电压充电。

一般采用恒电流充电，其特点时在充电过程中充电电流恒定不变。

随着充电的进行，活性物质被恢复，电极反应面积不断缩小，电机的极化逐渐增高。

（5）电池容量

电池容量是指从电池获得电量的量，常用C表示，单位常用或表示。

容量是电池电性能的重要指标。

电池的容量通常分为理论容量、实际容量和额定容量。

电池容量由电极的容量决定，若电极的容量不等，电池的容量取决于容量小的那个电极，但决不是正负极容量之和。

（6）电池的贮存性能和寿命

化学电源的主要特点之一是在使用时能够放出电能，不用时能贮存电能。

所谓贮存性能对于二次电池来说为充电保持能力。

对于二次电池，使用寿命时衡量电池性能好坏的一个重要参数。

二次电池经过一次充电和放电，称为一个周期（或已此循环）。

在一定的充放电制度下，电池容量达到某一规定值之前电池能经受的充放电次数称为二次电池的使用周期。

锂离子电池具有优良的贮存性能和长的循环寿命。

锂电池-特征   

A.高能量密度

锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的-50%，镍氢的20-30%。

B.高电压

一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V（平均值），相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。

C.无污染

锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。

D.不含金属锂

锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。

E.循环寿命高

在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次。

F.无记忆效应

 记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。

锂离子电池不存在这种效应。

G.快速充电

 使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器可以使锂离子电池在一至两个小时内得到满充。

锂电池-锂电池原理和结构   

1、锂离子电池的结构与工作原理：

所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。

人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。

以LiCoO2为例：

⑴电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。

这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiO2、LiMn2O4、LiFePO4。

⑵为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz（x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=（2＋3x＋5y）/2）等。

2、电池一般包括：

正极（positive）、负极（negative）、电解质（electrolyte）、隔膜（separator）、正极引线（positivelead）、负极引线（negativeplate）、中心端子、（insulator）、安全阀（safetyvent）、密封圈（gasket）、（正温度控制端子）、电池壳。

一般大家较关心正极、负极、电解质。

锂电池-离子电池结构比较   

按正极材料不同分为铁锂、钴锂、锰锂等；

从外形分类一般分圆柱形和方形，而聚合物锂离子还可制成任意形状；

根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池（lithiumionbattery,简称为LIB）和锂离子电池两大类，聚合物锂离子电池（polymerlithiumionbattery,简称为PLIB）属于固态锂离子电池中的一种。

 电解质壳体/包装隔膜集流体

液态锂离子电池液态不锈钢、铝25μPE铜箔和铝箔

聚合物锂离子电池胶体聚合物铝/PP复合膜没有隔膜或个μPE铜箔和铝箔

锂电池-锂离子电池的性能   

１、高能量密度

与同等容量的ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ电池相比，锂离子电池的重量轻，其体积比能量是这两类电池的１.５～２倍。

２、高电压

锂离子电池使用高电负性的含元素锂电极，使其端电压高达３.７Ｖ，这一电压是ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ电池电压的３倍。

３、无污染，环保型

４、循环寿命长

寿命超过５００次

５、高负载能力

锂离子电池可以大电流连续放电，从而使这种电池可被应用于摄象机、手提电脑等大功率用电器上。

６、优良的安全性

由于使用优良的负极材料，克服了电池充电过程中锂枝晶的生长问题，使得锂离子电池的安全性大大提高。

同时采用特殊的可恢复配件，保证了电池在使用过程中的安全性。

锂电池-应用   

随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。

锂电池随之进入了大规模的实用阶段。

最早得以应用于心脏起搏器中。

由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。

使得起搏器植入人体长期使用成为可能。

锂电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。

二氧化锰电池，就广泛用于计算机，计算器，照相机、中。

应用举例

1、作电池组维修代换品有许多电池组：

如上用的那种，经维修发现，此电池组损坏时仅是个别电池有问题。

可以选用合适的单节锂电池进行更换。

2、制作高亮微型电筒笔者曾用单节3.6.6AH锂电池配合一个白色超高亮度发光管做成一只微型电筒，使用方便，小巧美观。

而且由于电池容量大，平均每晚使用半小时，至今已用两个多月仍无需充电。

3、代替3V电源

由于单节锂电池电压为3.6V。

因此仅需一节锂电池便可代替两节普通电池，给收音机、随身听、照相机等小家电产品供电，不仅重量轻，而且连续使用时间长。

锂电池-工艺     

保护电路

由两个场效应管和专用保护集成块S--8232组成，过充电控制管FET2和过放电控制管FET1串联于电路，由保护IC监视电池电压并进行控制，当电池电压上升至4.2V时，过充电保护管FET1截止，停止充电。

为防止误动作，一般在外电路加有延时。

当电池处于放电状态下，电池电压降至2.55V时，过放电控制管FET1截止，停止向负载供电。

过电流保护是在当负载上有较大电流流过时，控制FET1使其截止，停止向负载放电，目的是为了保护电池和场效应管。

过电流检测是利用场效应管的导通作为检测电阻，监视它的电压降，当电压降超过设定值时就停止放电。

在电路中一般还加有延时电路，以区分浪涌电流和短路电流。

该电路功能完善，性能可靠，但专业性强，且专用集成块不易购买，业余爱好者不易仿制。

充电电路

现在有不少商家出售不带充电板的单节锂电池。

其性能优越，价格低廉，可用于自制产品及锂电池组的维修代换，因而深受广大电子爱好者喜爱。

有兴趣的读者可参照图二制作一块充电板。

其原理是：

采用恒定电压给电池充电，确保不会过充。

输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。

R1、Q1、W1、组成精密可调电路，Q2、W2、构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、为充电指示电路。

随着被充电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后R4上的压降将降低，从而使Q3截止，LED将熄灭，为保证电池能够充足，请在熄灭后继续充1—2小时。

使用时请给Q2、Q3装上合适的。

本电路的优点是：

制作简单，元器件易购，充电安全，显示直观，并且不会损坏电池．通过改变W1可以对多节串联锂电池充电，改变W２可以对充电电流进行大范围调节。

缺点是：

无过放电控制电路。

锂电池-总结   

由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电液泄露，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄。

也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50％以上。

此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比液态锂离子电池有所提高。

基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。

锂离子电池内部成螺旋型结构，正极与负极之间由一层具有许多细微小孔的薄膜纸隔开。

锂离子电池的正极采用钴酸锂，正极集流体是铝箔；负极采用碳，负极集流体是铜箔，锂离子电池的电解液是溶解了LiPF6的有机体。

锂离子电池盖帽上有防爆孔，在内部压力过大的情况下，防爆孔会自动打开泄压，以防止出现爆炸的现象。

锂离子的性能有哪些？

１、高能量密度

与同等容量的ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ电池相比，锂离子电池的重量轻，其体积比能量是这两类电池的１.５～２倍。

２、高电压

锂离子电池使用高电负性的含元素锂电极，使其端电压高达３.７Ｖ，这一电压是ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ电池电压的３倍。

３、无污染，环保型

４、循环寿命长

寿命超过５００次

５、高负载能力

锂离子电池可以大连续放电，从而使这种电池可被应用于摄象机、手提电脑等大功率用电器上。

６、优良的安全性

由于使用优良的负极材料，克服了电池充电过程中锂枝晶的生长问题，使得锂离子电池的安全性大大提高。

同时采用特殊的可恢复配件，保证了电池在使用过程中的安全性。