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    村田專家帶你了解鋰離子電池的工作原理和特點

    發布時間:2022-05-13 來源:Murata 責任編輯:wenwei

    【導讀】鋰離子電池不僅被用作為電腦、智能手機的充電式電池,也被廣泛用于我們生活中的電器產品、電動汽車、產業機械、尖端科技等各個領域。為何會被眾多產品所采用?它給我們的生活帶來了哪些變化?以及今后的發展趨勢,讓我們基于專家的見解來了解一下吧~


    在本系列中,我們就鋰離子電池的特點、使用場景、歷史以及今后的可能性等,在東京工業大學特命教授菅野了次先生的監修下,分五講做一個全面介紹。


    監修人:菅野了次


    東京工業大學 科學技術創成研究院 特命教授(名譽教授)


    菅野了次先生于1980年大阪大學研究生院理學研究科無機及物理化學專業課程結業。1985年成為理學博士。任神戶大學理學部副教授后,2001年任東京工業大學研究生院綜合理工學研究科教授,2016年任該大學物質理工學院教授,2018年任該大學科學技術創成研究院教授、全固態電池研究組組長,2021年任該科學技術創成研究院特命教授、全固態電池研究中心主任。


    1. 什么是鋰離子電池?


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    鋰離子電池是裝在我們日常所用的智能手機和筆記本電腦等設備里的充電式電池。電池的原型發明于18世紀末,其后經過二百多年的歲月發展至今。鋰離子電池是在電池發展過程中誕生的現在最新型電池之一。


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    圓柱形鋰離子電池


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    疊層形鋰離子電池


    鋰離子電池的特點:


    電池分為只能用一次的干電池“一次電池”和能多次充電使用的電池“二次電池”。鋰離子電池是能夠充電的二次電池,與其他類型的電池相比,不僅能小型輕量化,而且能儲存的電能高。


    2. 鋰離子電池產生電的工作原理


    除了鋰離子電池之外,電池還有其他各種類型,實際上電池產生電的基本工作原理都相同。


    電池里有使用金屬材料的正電極(正極)和負電極(負極),借由離子而導電的物質(電解質)充滿在正負極之間。金屬電極被電解質熔化,分為離子和電子,電子從負極向正極移動產生電流,這時便產生電。二次電池是在開始使用電池之前通過充電,預先將電子儲蓄在負極,使用電池時儲蓄的電子向正極移動從而產生電。


    鋰離子電池是預先在正極使用含鋰金屬化合物,負極使用能吸儲鋰的碳(石墨)。通過這樣的結構,無須如傳統電池一般由電解質熔化電極就能發電,從而減緩了電池本身的老化,不僅能儲蓄更多的電,充放電的次數也得以增加。此外,鋰是非常小而輕的物質,從而能使電池具有小型輕量化等各種優點。


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    鋰離子電池產生電流的工作原理


    3. 鋰離子電池也有不同的種類嗎?


    根據正極所用的金屬材料的不同,鋰離子電池分為幾個種類。最初鋰離子電池的正極所用的金屬材料是鈷。不過鈷的產量幾乎與鋰同樣少,也是稀有金屬,制造成本高。因此開始使用廉價且環境負荷小的材料,例如錳、鎳、鐵等金屬。鋰離子電池按其所使用的材料而分類。


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    鋰離子電池的種類和特點


    下面來看看各種類分別都有哪些特點。


    鈷系鋰離子電池


    正極使用鈷酸鋰。鈷酸鋰比較容易合成,便于使用,因而鋰離子電池最早量產的是鈷酸鋰離子電池。但由于鈷是稀有金屬,價格昂貴,幾乎沒有被用于汽車零件。


    錳系鋰離子電池


    正極使用錳酸鋰。優點是電壓能與鈷系鋰離子電池差不多,而且制造成本廉價。缺點是充放電中錳可能會熔化于電解質,縮短電池的壽命。


    磷酸鐵系鋰離子電池


    正極使用磷酸鐵鋰。磷酸鐵系鋰離子電池的優點在于即使內部發熱結構也難以損壞,安全性高,而且以鐵為原料,制造成本比錳系更低。但是電壓比其他的鋰離子電池低。


    三元系鋰離子電池


    三元系鋰離子電池是為了減少鈷的用量,使用鈷、鎳、錳三種材料制造的電池?,F在三元系鋰離子電池大多鎳的比例較高。雖然電壓比鈷系、錳系略低,但能減少制造成本。不過雖說如此,各個材料的合成制備較難,穩定性低等,作為實用材料尚存在有待解決的課題。


    4. 鉛蓄電池與鋰離子電池的區別是什么?


    除鋰離子電池之外,還有幾種能充電的電池。其中鉛蓄電池是一百多年前就使用的歷史悠久的電池,在鋰離子電池等新型電池開發問世的現今,依然還繼續用作汽車的蓄電池。


    鉛蓄電池與鋰離子電池的區別


    鉛蓄電池的正負極材料都使用鉛,因而與鋰離子電池相比,制造成本非常廉價。但由于鉛比其他金屬重,因此蓄電池自身也就重。此外電壓最高只能到2V,自放電大也是鉛蓄電池的缺點。


    現在依然使用鉛蓄電池的原因


    雖然鉛蓄電池有著這些缺點,但汽車的蓄電池沒有換成鋰離子電池等高性能二次電池的原因還是在于它的廉價,以及技術基本成熟,可靠性高。汽車充分利用鉛蓄電池的特性,確立了再循環系統。如果換成新型電池,需要修改電路設計,基于目前鉛蓄電池仍足以能發揮作用的狀況,廠家也不想格外多付出成本。


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    鉛蓄電池與鋰離子電池的比較


    雖說如此,鋰離子電池已被用作驅動電動汽車、電油混合動力車等的發動機的二次電池,說不定未來汽車也會不使用鉛蓄電池了。


    5. 鋰離子電池被用于哪些領域?


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    1990年代上半葉首款商品化的家電用鋰離子電池被用于攝像機以滿足其小型輕量化的需求。其后接連不斷地被用于當時迅速普及的手機,市場需求瞬間高漲。


    如今鋰離子電池已被廣泛用于我們生活中的各個場景,諸如智能手機、筆記本電腦,以及電動汽車、電動自行車等各個領域。


    6. 鋰離子電池的安全性如何?


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    其實電池可以說是能源罐頭。能以每單位體積大密度儲能的鋰離子電池比其他種類的電池更需要考慮到安全性。而且從使用具有可燃性的有機溶劑這一點來說,在操作使用上也需要比使用水溶液的其他電池更加小心謹慎。


    最應該避免的是內部短路問題。內部短路指外部施力造成電池變形,正極與負極直接接觸的狀態。電流集中于此,導致溫度升高,電池起火之類的嚴重事故。即便是極小的雜質,一旦混入電池內部,就可能會造成內部短路,這就需要設計保護電路,使電池內無多余的電流流動,讓電池具備防事故功能。


    其他還有使用冷卻裝置等手段,將電池的工作環境保持在60℃以下,控制電池的溫度也很重要。在正負極之間設置隔膜,如果超過一定的溫度,隔膜在正負極之間起到完全阻隔的作用等等,動腦筋用各種方法提高安全性。


    如本講所述,與以前的二次電池相比,小型輕量且高性能的鋰離子電池似乎今后仍會被用于我們生活中的各個場景。



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