鋰電池基本原理設(shè)計性能培訓(xùn)講義-文庫吧
2025-07-04 15:33 本頁面
【正文】 負(fù)電極的晶體結(jié)構(gòu)。因此，正電極中的鋰離子數(shù)量逐漸減少。但是，電解液中的鋰離子數(shù)量沒有改變。隔膜紙是電子的絕緣體，離子的透明體。 負(fù)電極（陽極）：還原反應(yīng)，同時吸收電子和鋰離子。電子和鋰離子在負(fù)電極的晶體結(jié)構(gòu)中形成電池中性。 2．放電時 正電極（陰極）：還原反應(yīng)，從外電路獲得電子和從內(nèi)電路吸取鋰離子。電子經(jīng)過外電路和用電器被輸送到正電極，與此同時，鋰離子則經(jīng)過內(nèi)電路中的電解液和穿過隔膜紙，回到正電極的晶體結(jié)構(gòu)。因此，負(fù)電極中的鋰離子數(shù)量逐漸減少，而正電極中的鋰離子數(shù)量逐漸增多。但是，電解液中的鋰離子數(shù)量沒有改 變。 負(fù)電極（陽極）：氧化反應(yīng)，同時釋放出電子和鋰離子。電子和鋰離子經(jīng)過內(nèi)外電路，回到正電極的晶體結(jié)構(gòu)中形成電池中性。 電解質(zhì)通常是液體，但也可以是固體或者膠體，離子導(dǎo)電材料。 三、鋰電池中的活性和非活性成分 從鋰電池的結(jié)構(gòu)元件來看，活性成分是正極、負(fù)極和電解質(zhì)。而非活性成分是基片、隔膜紙、引線和外殼。 1． 正極成分 活性材料：鈷酸鋰 (LiCoO2)，鈷鎳酸鋰 (LiNiCoO2)，錳酸鋰 (LiMn2O4) 非活性材料：鋁基片，導(dǎo)電碳粉，樹脂粘結(jié)劑 (PVDF)，溶劑 (DMF) 2． 負(fù)極成分 活性材料：石墨 (C)，鋰合金 (LiAl)，碳纖維 非活性材料：銅基片，導(dǎo)電碳粉，樹脂粘結(jié)劑 (PVDF)，溶劑 (DMF) 3． 電解液 活性材料：鋰鹽 (LiPF6) 非活性材料：碳化物溶劑 (DMC, EC, EMC, PC, DEC) 4． 隔膜紙：聚乙烯 (PE)和聚丙烯 (PP)多孔膜 5． 引線：鋁、鎳 7 6． 外殼：不銹鋼、鋁外殼 對活性材料的要求： ? 陽極、陰極需選擇高理論能量密度的材料。 ? 化學(xué)穩(wěn)定性 ? 對電解液的低溶解性 ? 較高的電子導(dǎo)電能力 ? 低毒 ? 良好的化學(xué)反應(yīng)動力特性 ? 盡可能低的成本 ? 電解液的選擇要滿足以下要求 在寬的溫度范圍內(nèi)高的離子導(dǎo)電率 。 非常低的電子導(dǎo)電性 在整個工作電壓和溫度范圍內(nèi)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。 低毒 盡可能比的成本 對非活性材料的要求： ? 基片、隔膜紙、引線和外殼為非活性材料。以上所有組成在工作電壓和溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。 例如：鋁通常是正極的基片 (集流器 )，因為像鋁這樣在 還保持穩(wěn)定的金屬很少，鐵、鎳、銅等在這個電壓下已經(jīng)電腐蝕了。鋁不適于作陽極的集流器原因是鋁與鋰合金的陽極的電位特性低。 ? 非活性組成部分可能占有電池重量的一部分。 ? 典型的 18650 圓柱型電池活性材料（鈷酸鋰和碳）有 克，而非活性組成部分的重量卻有 克之多。 ? 因此能量密度最多只有理論值的 41%左右。 8 四、高能量密度鋰電池設(shè)計 材料的理論能量密度 能量 = 電流時間平均電壓 = 容量平均電壓 = 瓦小時 (毫瓦小時 ) (A) (h) (V) = (Ah) (V) = Wh (mA) (h) (V) = (mAh) (V) = mWh 重量比能量密度 = 能量容量 / 質(zhì)量 = 瓦小時 /公斤 (毫瓦小時 /克 ) 體 積比能量密度 = 能量容量 / 體積 = 瓦小時 /升 (毫瓦小時 /毫升 ) 為提高能量密度，就必須提高電容量 (Ah)，或者提高電壓 (V)： *單位重量和體積要有高的電容量：新型正極和負(fù)極材料 *高電壓：正負(fù)極材料要有相差大的電極電位，即選擇較大電勢差的電化學(xué)氧化 /還原電對 以鋅 氧電池和鋰 氧電池為例 1. 電容量 電容量 = 1 法拉第 /摩爾 對單電子傳遞反應(yīng) = 1 法拉第 / 克當(dāng)量 = 96487 庫侖 /克當(dāng)量 = 96487 安培秒 /克當(dāng)量 或 安培小時 /克當(dāng)量 這就意味著克當(dāng)量低的材料將有高的理論能量密度。所以我們所需要的材料特性是低克當(dāng)量和多電子傳遞。 例 1： Zn+2 + 2e = Zn 對鋅，其摩爾質(zhì)量是 克，也就是 克 /當(dāng)量。理論能量密度為 安培小時 /當(dāng)量除以 克 /當(dāng)量，等于 安培小時 /克。 例 2： Li+ + e = Li 對鋰，其摩爾質(zhì)量是 克，也就是 克 /當(dāng)量。理論能量密度為 安培小時 /當(dāng)量除以 克 /當(dāng)量，等于 安培小 時 / 9 克。 2. 電壓 (或稱為電勢差、電動勢 ) 例如正極： 1/2O2 + H2O+2e = 2OH E176。 = 例如負(fù)極 1： Zn+2 + 2e = Zn E176。 = 例如負(fù)極 2： Li+ + e = Li E176。 = 鋅 氧電池的電動勢 EMF 為： （ ） = 鋰 氧電池的電動勢 EMF 為： （ ） = 3. 能量 鋅 氧電池和鋰 氧電池相比： ? 鋅電極理論上重量比容 量為 安培小時 /克 ? 鋰電極理論質(zhì)量比容量為 安培小時 /克 ? 對氧電極，氧的摩爾質(zhì)量是 32 克，但傳遞 4 個電子，其當(dāng)量是 8克 /摩爾。 ? 氧電極的質(zhì)量比容量是 安培小時 /8 克，既是 安培小時 /克。 ? 對鋅氧電池 1. 鋅，其質(zhì)量比容量是 安培小時 /克，或者說，每安培小時需要 克鋅。 2. 氧，其質(zhì)量比容量是 安培小時 /克，或者說，每安培小時需要 克氧。 3. 鋅 氧電池需要 + = 克活性材料才能生成 1 安培小時的電量，反過來說，每克活性材料可以產(chǎn)生 安培小時的電量。 4. 鋅 氧電池平衡電動勢為 。 10 5. 理論能量密度即為 /克 * = 瓦小時 /克，或 1352 瓦小時 /公斤。 ? 對鋰 氧電池： 1. 鋰質(zhì)量比容量是 安培小時 /克，或者說，每安培小時需要 克鋰。 2. 其氧質(zhì)量比容量是 安
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