锂离子电池工作原理及优缺点

1、新能源技术被公认为21世纪的高新技术。电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已成为全球经济发展的一个新热点。当前世界电池工业发展的三个特点，一是绿色环保电池迅猛发展，包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；二是一次电池向蓄电池转化，这符合可持续发展战略；三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。锂离子电池是在锂电池的基础上发展起来的一种新型电池，主要由正极、负极、电解液、电极基材、隔离膜和罐材等材料组成。在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。相对于传统的铅酸电池 和镍氢、镉镍电池而言，锂离子电池比容量高、循环 寿命长、安全性能好，将逐步取代镍氢、镉镍等

2、电池。锂离子电池广泛的应用于便携式摄放一体机、游戏机、手机、笔记本电脑和电动汽车等方面。本文就锂离子电池材料的工作原理及优缺点进行简单介绍。构造及原理锂离子电池是指以两种不同的能够可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到正极中。以以钴酸锂为正极材料的锂离子电池为例：充电时的电极反应：正极：LiCoO2 Li1-xCoO2+xLi+ + xe-负极：6C + xLi+ + xe- LixC6总反应：LiCoO2 +6C Li1-xCoO2+LixC6摘

3、自百度百科；锂离子电池摘自百度百科；锂离子电池放电时：有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。正极 锂离子电池的正极材料须具备以下主要性质：吉布斯自由能高，以提供较高的电池电压。相对分子量小，能容纳的锂的量多，以提供较大的电池容量。具有大孔径隧道结构以利于锂离子的嵌入和脱出。极性弱，以保证良好的可逆性。热稳定性良好，以保证工作的安全。重量轻、易于制作。可以作为正极的材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiFePO4、LiV3O8、LiVO2、LiV2O4、Li6V5O15、

4、LiCo0.2Ni0.8O2、LiCo0.5Ni0.5O2、LiNixMnyCo1-x-yO2 。几种正极材料的性能比较：正极材料平均输出电压能量密度LiCoO23.7 V140 mAh/gLi2MnO33.7 V100 mAh/gLiFePO43.2 V130 mAh/gLi2FePO4F3.6 V115 mAh/g负极 锂电负极材料要求具有：1、正负极的电化学位差大，从而可获得高功率电池；2、锂离子的嵌入反应自由能变化小；3、锂离子的可逆容量大，理离子嵌入量的多少对电极电位影响不大，这样可以保证电池稳定的工作电压；4、高度可逆嵌入反应，良好的电导率，热力学稳定的同时还不与电解质发生反应；5

5、、循环性好，具有较长循环寿命；6、锂离子在负极的固态结构中具有高扩散速率；7、材料的结构稳定、制作工艺简单、成本低。目前，锂离子电池负极材料主要是：炭材料(石墨、无定性炭、炭纤维、焦炭、MCMB、纳米炭管)和非炭材料(合金、金属及其氧化物)。石墨导电性好，结晶程度高，具有良好的层状结构，十分适合锂离子的反复嵌入-脱嵌，是目前应用最广泛、技术最成熟的负极材料。锂离子嵌入石墨层间后，形成嵌锂化合LixC6（0 x1），理论容量可达372mAh/g（x=1），反应式为：xLi+6C+xe-LixC6 。 电解质溶液由于锂离子电池负极的电位与锂接近，比较活泼，在水溶液体系中不稳定，必须使用非水、非质子

6、性有机溶剂作为锂离子的载体。电解质锂盐是提供锂离子的源泉，保证电池在充放电循环过程中有足够的锂离子在正负极来回往返，从而实现可逆循环。因此必须保证电极与电解液之间没有副反应发生。为了满足以上要求就需要将锂盐溶于特定的有机溶剂并控制有机溶剂和锂盐的纯度和水分等指标，以确保电解液在电池工作时充分、有效的发挥作用。常见的有机溶剂有：环状碳酸酯（PC、EC）、链状碳酸酯（DEC、DMC、EMC）、羧酸酯类（MF、MA、EA、MP）等；常见的锂盐：LiBF4、LiPF6、LiClO4、LiAsF6等。此外，为了使电解质溶液的各种性质符合制作电池的要求，还会向其中加入多种添加剂，如：成膜添加剂、阻燃添加剂

7、、过充保护添加剂等。隔膜 隔膜尽管并不参与电池中的电化学反应，但却是锂电池中关键的内层组件。电池的容量、循环性能和充放电电流密度等关键性能都与隔膜有着直接的关系，隔膜性能的改善对提高锂电池的综合性能起着重要作用。在锂电池中，隔膜吸收电解液后，可隔离正、负极，以防止短路，但同时还要允许锂离子的传导。而在过度充电或者温度升高时，隔膜还要有高温自闭性能，以阻隔电流传导防止爆炸。不仅如此，锂电池隔膜还要有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性、生物相容性好、无毒等特点。液态电解质锂离子电池所用隔膜可以分为：微孔高分子膜，非织造布及复合隔膜。由于具有加工成本较低和机械性能较好的优点，微孔高分子膜膜使用最

8、广泛。非织造布的优点是成本低和热稳定性好。而复合隔膜由于提供了极好的热稳定性和对非水电解质的侵润性，近来也引起很大的关注。保护电路摘自百度百科；锂离子电池摘自百度百科；锂离子电池内部短路示意内部短路的保护 过度充电、过度放电以及电流过大的情况会导致电池内部发生化学副反应,该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，损坏电池结构，并可能产生大量气体，严重时可能使电池内部压力迅速增大引发爆炸，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池当前的充、放电状态进行监控，以保证电池工作在正常的状态下，防止对电池的损害以避免安全事故。保护电路中包括过度充电、过度放电保护和短路（电流过大）保护，它主

9、要由集成保护电路IC、贴片电阻、贴片电容、场效应管(MOSFET) 、有的还有热敏电阻(NTC)、识别电阻(ID)、保险丝(FUSE)等构成。锂离子电池的优点超长寿命，锂离子电池的循环寿命可以达到两千次以上、使用 寿命可以达到78年，远高于长寿命的铅酸二次电池。快速充电，1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷酸铁锂电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。耐高温，锰酸锂和钴酸锂电池的电热峰值可达200左右，而磷酸铁锂达到了350500。四、 工作电压高，单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。六、 无记忆效应，可充电池

10、在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。锂离子电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。七、 体积比能量、质量比能量高，能达到的实际质量比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。八、自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。九、工作温度范围宽,工作温度约在-25

11、+45,随着电解质和正极材料的改进,尚可拓到-4070。八、没有环境污染,绿色环保电池的佼佼者,而残留容量的测试又比较方便,无需维修。锂离子电池的缺点一、衰老，与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是 HYPERLINK /view/52066.htm t _blank 内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。 储存温度与容量永久损失速度的关系：充电电量储存温度0储存温度25储存温度40储存温度6040%60%2%/年4%/年15%/年25%/年100%6%/年20%/年35%/年80%/6月二、

12、不耐受过度充电、过度放电和大电流放电，因此需要保护电路、排气孔等多重保护机制。三、电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较少），电解质体系提纯困难。经过阅读各类的参考资料，我发现锂离子电池这个课题涉及的知识领域非常广，集合了多种高新技术和新型材料。而我们选择的材料部分不但射击多种无机材料、有机溶剂、复合材料，而且精细到了纳米层面，还有很多的知识等着我们去学习。经过对锂离子电池的了解，我觉得锂离子电池世纪具有发展前景的跨时代的发明。它利用锂元素分子量小而性质活泼而且相对氢更易于保存的特性不仅性能相对于传统二次电池有了很大的提高而且更加节能环保、更加轻便。当然锂离子电池的广泛应用

13、离不开材料科学的发展，比如磷酸铁锂正极材料的发现使得电动汽车、电动自行车等很快用上力锂离子动力电池；而钛酸锂负极材料有望解决锂离子电池的容量随使用缩减的问题。但我认为要想让锂离子电池帮助人们打开未来能源时代，真正的成为“未来电池”，终究还是要靠原理的改进甚至革新。附录资料：不需要的可以自行删除煤矿矿井机电设备完好标准一、通用部分1、 紧固件1.1 紧固用的螺栓、螺母、垫圈等齐全、紧固、无锈蚀。1.2 同一部位的螺母、螺栓规格一致。平垫、弹簧垫圈的规格应与螺栓直径相符合。紧固的螺栓、螺母应有防松装置。1.3 用螺栓紧固不透明螺孔的部件，紧固后螺孔须留有大于2倍防松垫圈的厚度的螺纹余量。螺栓拧入螺

14、孔长度应不小于螺栓直径，但铸铁、铜、铝件应不小于螺栓直径的1.5倍。1.4 螺母紧固后，螺栓螺纹应露出螺母13个螺距，不得在螺母下面加多余垫圈减少螺栓的伸出长度。1.5 紧固在护圈内的螺栓或螺母，其上端平面不得超出护圈高度，并需用专用工具才能松、紧。2、 隔爆性能2.1 隔爆结合面（I类）的间隙、直径差或最小有效长度（宽度）必须符合表4-1-1的规定。表中 L 静止隔爆接合面的最小有效长度；L1 螺栓通孔边缘至隔爆接合面边缘的最小有效长度；W 静止隔爆接合面及操纵杆与杆孔隔爆接合面最大间隙或直径差；转轴与轴孔隔爆接合面最大直径差。但快动式门或盖的隔爆接合面的最小有效长度须不小于25mm。 表4

15、-1-1I类隔爆接合面结构参数mm接合面型 式LL1W外壳容积V（t）V0.1V0.1平面、止口或圆筒结构6.012.525.040.06.08.09.015.00.300.400.500.400.500.60带有滚动轴承的圆筒结构6.012.525.040.00.400.500.600.400.500.600.802.2 操纵杆直径（d）与隔爆接合面长度（L）应符合表4-1-2的规定。表4-1-2操纵杆直径或圆筒直径与隔爆接合面的结构参数mm操纵杆直径隔爆接合面长度d66d2525dL6LdL252.3 隔爆电动机轴与轴孔的隔爆接合面在正常工作状态下不应产生摩擦。用圆筒隔爆接合面时，轴与轴孔

16、配合的最小单边间隙须不小于0.075mm；用滚动轴承结构时，轴与轴孔的最大单边间隙须不大于表4-1-1规定W值的。2.4 隔爆接合面的表面粗糙度不大于；操纵杆的表面粗糙度不大于。2.5 螺纹隔爆结构：螺纹精度不低于3级；螺距不小于0.7mm；螺纹的最少啮合扣数、最小拧入深度应符合表4-1-3的规定。表4-1-3螺纹的最少啮合扣数、最小拧入深度mm外壳净容积V（t）最小拧入深度最少啮合扣数V0.10.1V2.02.0V5.09.012.562.6 隔爆接合面的法兰减薄厚度，应不大于原设计规定的维修余量。2.7 隔爆接合面的缺陷或机械伤痕，将其伤痕两侧高于无伤表面的凸起部分磨平后，不得超过下列规定

17、：a.隔爆面上对局部出现的直径不大于1mm、深度不大于2mm的砂眼，在40、25、15mm宽的隔爆面上，每1cm2不得超过5个；10mm宽的隔爆面上，不得超过2个。b.产生的机械伤痕，宽度与深度不大于0.5mm；其长度应保证剩余无伤痕隔爆面有效长度不小于规定长度的2/3。2.8 隔爆接合面不得有锈蚀及油漆，应涂防锈油或磷化处理。如有锈迹，用面纱擦净后，留有呈青褐色氧化亚铁状痕迹，用手摸无感觉者仍算合格。2.9 用螺栓固定的隔爆接合面，其紧固应以压平弹簧垫圈不松动为合格。2.10 观察窗孔胶封及透明度良好，无破损、无裂纹。2.11引进设备的隔爆性能应符合煤矿机电设备检修质量标准电气设备分册的附录

18、5-A、B、C、D的规定。2.12 凡不合格1.2.11.2.11任意一条者即任为该装备失去隔爆性能，称为失爆，不得评为完好设备。3、 接线3.1 进线嘴连接紧固，密封良好，并应符合下列规定： a.密封圈材质须用邵尔硬度为4555度的橡胶制造，并按规定进行老化处理。 b.接线后紧固件的紧固程度以抽拉不窜动为合格。线嘴压紧应有余量，线嘴与密封圈之间应加金属垫圈。压叠式线嘴压紧电缆后的压扁量不超过电缆直径的10。 c.密封圈内径与电缆外经差应小于1mm；密封圈外径与进线装置内径差应符合表414的规定；密封圈宽度应大于电缆外经的0.7倍，但必须大于10mm；厚度应大于电缆外经的0.3倍，但必须大于4

19、mm(70mm的橡套电缆例外)。密封圈无破损，不得割开使用。电缆与密封圈之间不得包扎其他物品。 d.低压隔爆开关引入铠装电缆时，密封圈应全部套在电缆铅皮上。表4-1-4密封圈外径与进线装置内径间隙 mm密封圈外径D密封圈外径与进线装置内径间隙D2020D6060D1.01.52.0e.电缆护套（铅皮）穿入进线嘴长度一般为515mm。如电缆粗穿不进时，可将穿入部分锉细（但护套与密封圈结合部位不得锉细）。 f.低压隔爆开关空间得接线嘴应用密封圈及厚度不小于2mm得钢垫板封堵压紧。其紧固程度：螺旋线嘴用手拧紧为合格；压叠式线嘴用手晃不动为合格。钢垫板应置于密封圈得外边，其直径与进线装置内径差应符合表

20、4-1-4得规定。高压隔爆开关空间得接线嘴应用与线嘴法兰厚度、直径相符的钢垫板堵封压紧，其隔爆结合面得间隙应符合表4-1-1得规定。 g.高压隔爆开关接线盒引入铠装电缆后，应用绝缘相交灌至电缆三叉以上。 h.凡不符合上述规定之一者，即为失爆，不得评为完好设备。3.2 接线装置齐全、完整、紧固，导电良好，并符合下列要求： a.绝缘座完整无裂纹； b.接线螺栓和螺母的螺纹无损伤，无放电痕迹，接线零件齐全，有卡爪、弹簧垫、背帽等； c.接线整齐，无毛刺，卡爪不压绝缘胶皮或其他绝缘物，也不得压或接触屏蔽层； d.接线盒内导线的电气间隙和爬电距离，应符合GB3836.383爆炸性环境用防暴电气设备增安型

21、电器设备“e”的规定； e.隔爆开关电源、负荷引入装置，不得颠倒使用。3.3 固定电气设备接线应符合下列要求： a.设备引入（出）线的终端线头，应用线鼻子或过渡接头接线； b.导线连接牢固可靠，接头温度不得超过导线温度。 3.4 电缆的连接除应符合煤矿安全规程第449条的规定外，并应符合下列要求： a 电缆芯线的连接严禁绑扎，应采用压接或焊接。连接后的接头电阻不应大于同长度芯线电阻的1.1倍，其抗拉强度不应小于原芯线的80。不同材质芯线的连接应采用过渡接头，其过渡接头电阻值不应大于同长度芯线电阻值的1.3倍； b 高、低压铠装电缆终端应灌注绝缘材料，户内可采用环氧树脂干封。中间接线盒应灌注绝缘

22、胶。4、 安全供电4.1 高、低压电气设备的短路、漏电、接地等保护装置，必须符合煤矿安全规程、矿井保护接地装置的安全、检查、测定工作细则、煤矿井下检漏继电器安装、运行、维护与检修细则和矿井低压电网短路保护装置的整定细则的规定。 4.2 短路保护计算整定合格，动作灵敏可靠。 4.3 漏电保护装置使用合格。4.4 接地装置 4.4.1接地螺栓符合下列标准：a电气设备的金属外壳和铠装电缆接线盒的外接地螺栓应齐全完整，并标志“”符号（运行中移动的采掘机械设备除外）。 b电气设备接线盒应设有内接地螺栓，并标志“”符号（电机车上的电气设备及电压36V以下的电气设备除外）。 c 外接地螺栓直径 容量小于或等

23、于5KW的不小于M8； 容量大于5KW至10KW不小于M10； 容量大于10KW的不小于M12； 通讯、信号、按钮、照明灯等小型设备不小于M6。 d 接地螺栓应进行电镀防锈处理。4.4.2 接地线符合下列规定： a 接主接地极的接地母线，其截面积应不小于: 镀锌铁线 100 mm 扁 钢 254 mm 铜 线 50 mm b 电气设备外壳同接地母线或局部接地极的连线盒电缆接线盒两端的铠装、铅皮的连接接地线，其截面积应不小于： 铜 线 25 mm 扁 钢 50 mm（厚度不小于4mm） 镀锌铁线 25 mm4.4.3 接地电阻不得大于下列数值：a 100KVA以上（低压中性点直接接地系统）4；b

24、 100KVA以上变压器供电线路重复接地10；c 100KVA以下变压器10；d 100KVA以下变压器供电线路重复接地30；e 高、低压电气设备联合接地4；f 电流、电压互感器二次线圈10；g 高压线路的保护网或保护线；h 井下设备2；i 井下手持移动电气设备1。4.5 设备闭锁装置齐全可靠。4.6 井下供电应符合煤矿安全规程第470条的规定，即做到“三无、四有、两全、三全、三坚持”。5、 不漏油、不漏电的规定 5.1 不漏油 固定结合面及阀门、油标管等不应有油迹。运动部位允许有油迹，但擦干后在3min不见油，半小时不成滴。非密闭运动部件润滑油脂不得甩到其他部件和基础上。 5.2 不漏电 网

25、路的绝缘电阻不小于下列规定，漏电继电器正常投入运行。 1140V 60K； 660V 30K； 380V 15K； 127V 10K。6、 电气性能检测6.1 电气设备绝缘性能必须按煤矿电气试验规程（试行）规定的周期和项目进行试验，并符合标准，有记录可考查。 6.2 绝缘油，新油使用前应做油质分析；运行中的油，每年做一次简化分析；多油断路器的油，每半年进行一次耐压试验。其他试验项目应按煤矿电气试验规程（试行）规定进行。有记录可查。 6.3 继电保护装置计算整定检验，每年进行一次；对矿井电源的继电保护装置，每半年检验一次，并符合整定方案，有记录可查。 6.4 指示回转仪表应每年检验一次，其准确登

26、记不得低于2.5级；电源计量仪表应每半年校验一次，其准确等级不得低于1.0级。有记录可查。7、 设备使用 7.1 高、低压开关的选用应符合煤矿安全规程第421条的要求，与被控制设备的容量应匹配，有下列情况之一者，不得评定为完好设备。 a 超容量、超电压等级使用者； b 不符合使用范围者； c 继电保护失灵，熔体选用不合格者； d 隔爆磁力起动器用小喇叭嘴引出动力线者。 7.2 井下隔爆型电气设备，必须有在下井前，经过指定的隔爆电气设备检查员检查出具的合格证，否则一律不得评定为完好。8、 安全防护8.1 机房（峒室）和电气设备，一切可能危机人身安全的裸露带电部分及转动部位，均须设防护罩、防护栏，并悬挂危险警告标志。 8.2 机房（峒室）应具备有符合规定的防火器材。 8.3 机房（峒室）不得存放汽油、煤油、绝缘油和其他易燃