鋰電池的種類及其優缺點

來源:互聯網    2019/11/22 23:57:32
責任編輯:李平
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  隨著社會的進步發展,人類所需要的能量越來越多,傳統的化石能源不僅不能再生,,過多的使用加劇了環境的惡化。雖然現在的能源結構基本構建在化石燃料的基礎之上,但人們也已了解到充分利用風能、太陽能等可再生能源的重要性。然而這些能源作用不連續,需要有能量貯存器,電池作為一種將電能以化學能形式儲存起來的的裝置是十分合適的。尤其是二次電池,在現代人的手機、手表乃至汽車里都有應用。 電池在幾十年的發展中,性能在逐漸優化,這其中比能量高是人們不斷追求的目標。由于在所有的金屬中鋰比重很小(M=6.94g/mol)、電極電勢極低(標準電極電勢-3.045V),它是能量密度極大的金屬,鋰電池體系理論上能獲得最大的能量密度,因此它順理成章地進入了研究者們的視野。

  鋰電池的種類及其優缺點

  鋰電池的主要種類:

  鋰電池的種類及其優缺點

  鋰電池又分為鋰一次電池(又稱鋰原電池)與鋰二次電池(鋰充電電池),與1912年由Gilbert N. Lewis第一次提出,將人們的視線引向了活潑金屬電池上。在鋰二次電池的基礎上,又發展起來鋰離子電池。大致發展歷程如圖1。

  鋰電池的種類及其優缺點

  Li-MnO2電池(鋰一次電池) Li-MnO2電池是鋰電池中應用較多的一種有機電解質電池,一般做成鈕扣型或圓柱形,開路電壓為3.5V,負荷電壓為2.8V,比能量可達200W·h/kg和500W·h/L,常溫下電池儲存壽命超過10年,且儲存和放電過程中無氣體放出,安全性能好。

  (-)Li∣LiClO4,PC+DMG∣MnO2(+)

  負極反應: Li-e-→Li+

  正極反應: MnO2+Li++e-→MnOOLi

  電池反應: Li+MnO2→MnOOLi

  按照上述反應,Li-MnO2放電時負極鋰生成Li+ 進入電解質溶液,正極二氧化錳得電子 還原成三價錳,同時,鋰離子進入二氧化錳晶格中形成MnO2(Li),即MnOOLi。 這類電池主要用于低倍率放電。其能量比約為鉛酸蓄電池的5到7倍。電池儲存和放電過程中無氣體放出,自放電小,不會因活性物質分解引起電池內壓增大。中小容量的電池適合于小型電子計算機、照相機及小型通訊機的電源,大容量的電池適合于要求電池比能量高、使用時間長的場合,因此可作為軍事領域的理想電源。

  Li-SOCl2電池(鋰一次電池)

  Li-SOCl2電池是一種研究較為成熟的有機電解質電池。其開路電壓高達3.6~3.7V,且電壓平穩、負荷電壓精度高,同時還有較高的比能量。表1中給出一些常用小型電池系列活性物質成本比較,可以看出,Li-SOCl2電池是常用電池中成本最低的。

  鋰電池的種類及其優缺點

  Li-SOCl2電池的電化學表達式為: (-)Li∣LiAlCl4-SOCl2∣C(+)

  電解液是LiAlCl4的SOCl2溶液。SOCl2即是電解質的溶劑,又是正極活性物質。電池反應:

  4Li+2SOCl2→4LiCl+S+SO2

  放電產物二氧化硫部分溶于SOCl2中,硫單質大量析出,沉積在正極炭黑中,LiCl是不容物。

  這種電池的負極鋰與SOCl2接觸時會發生如下反應

  : 8Li+3SOCl2→6LiCl+Li2S2O4+S2Cl2

  由于產物LiCl形成致密的保護膜阻礙了反應的進行,又由于它還是固體電解質膜,允許離子通過,所以不妨礙鋰電極的正常陽極溶解。

  但是SOCl2電池存在兩個突出問題,即“電壓滯后”和“安全問題”。電壓滯后是因為LiCl的產生,它以薄膜的形式覆蓋在鋰陽極表面,雖然可以防止電池自放電,但導致了電壓滯后。另外,儲存時間越長,儲存溫度越高,膜就會越厚,滯后現象越明顯。

  當SOCl2電池短路時,會引發Li和S的熱反應:

  2Li+S→Li2S

  Li2S在145度下又可與SOCl2發生劇烈反應,導致爆炸。

  還有一種爆炸的原因是在正極上沉積的鋰形成枝晶,造成短路。Li與S反應,或者SO2 也可以在負極發生反應,最終生成Cl2O這種十分不穩定的爆炸性物質。

  鋰電池的優缺點:

  優點

  1.能量比較高。具有高儲存能量密度,已達到460-600Wh/kg,是鉛酸電池的約6-7倍;

  2.使用壽命長,使用壽命可達到6年以上,磷酸亞鐵鋰為正極的電池1C(100%DOD)充放電,有可以使用10,000次的記錄;

  3.額定電壓高(單體工作電壓為3.7V或3.2V),約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓,便于組成電池電源組;鋰電池可以通過一種新型的鋰電池調壓器的技術,將電壓調至3.0V,以適合小電器的使用;

  4.具備高功率承受力,其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到15-30C充放電的能力,便于高強度的啟動加速;

  5.自放電率很低,這是該電池最突出的優越性之一,一般可做到1%/月以下,不到鎳氫電池的1/20;

  6.重量輕,相同體積下重量約為鉛酸產品的1/6-1/5;

  7.高低溫適應性強,可以在-20℃--60℃的環境下使用,經過工藝上的處理,可以在-45℃環境下使用;

  8.綠色環保,不論生產、使用和報廢,都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質。

  9.生產基本不消耗水,對缺水的我國來說,十分有利。比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位,W是瓦、h是小時;kg是千克(重量單位),L是升(體積單位)。

  缺點

  1.鋰原電池均存在安全性差,有發生爆炸的危險。

  2.鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電,價格昂貴,安全性較差。

  3.鋰離子電池均需保護線路,防止電池被過充過放電。

  4.生產要求條件高,成本高。

  5.使用條件有限制,高低溫使用危險大。

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