探究如何正確使用鋰離子電池

探究如何正確使用鋰離子電池

　　導語：很多人對鋰電池有畏懼感，卻也無可奈何。無奈是因為手機、筆記本、平板等等設備都要用到它，畏懼是因為不知道哪一天鋰電池會突然在自己面前做恐怖襲擊：或燃燒，或者爆炸。這種事件當中，自然與鋰電池本身的電特性、質量有關，但也不排除，是否正確地使用了鋰電池，也是引起鋰電池事故的原因之一。

　　摘要：鋰離子電池以其比能量高、功率密度大、循環(huán)壽命長、自放電小、性價比高等優(yōu)勢已經(jīng)成為當代便攜式電子產(chǎn)品的可再充式電源的主要選擇對象，可廣泛應用于通訊、交通、機動車輛、軍事、計算器具和家用電器等諸多方面。對鋰離子電池而言，其主要構成材料包括電解液、膈膜、正負極材料。不僅要對它的電化學性能有所了解，更要注意對鋰離子電池的使用方法，正確得當?shù)氖褂娩囯x子電池，將讓人們的生活變得更加方便快捷。

　　關鍵詞：電池 工作原理 鋰離子

　　一 鋰離子電池的工作原理

　　一個鋰離子電池主要由正極、負極、電解液及隔膜組成，外加正負極引線，安全閥，PTC(正溫度控制端子)，電池殼等。一般來講，鋰電池種類很多，但它們的工作原理基本相同。在充電時，鋰離子脫離正極材料，再通過隔膜以及電解液，再進入負極材料，放電過程正好跟充電相反。以常見的液態(tài)鋰離子為例，當以石墨為負極材料，以為正極材料時，其充放電原理為：

　　正極反應：.

　　負極反應：.

　　電池總反應：.

　　電池放電為上述的相反過程。

　　二 生活中常見的幾種正極材料

　　1. 的晶體結構

　　具有高的能量密度，優(yōu)異的循環(huán)性能，是目前工業(yè)上最廣泛使用的鋰電池正極材料。有三種物相，分別為層狀結構、尖晶石結構的和巖鹽相。層狀的中氧原子采取畸變的立方密堆積，鋰和中心過度金屬原子分別形成與氧原子層平行的單獨層，層和層交替分布層兩側，占據(jù)八面空隙，通過它們的相互層疊堆積形成六方晶系的超點陣，所以層狀的框架結構可為鋰原子提供二位的遷移通道;尖晶石結構的氧原子為理想立方密堆積排列，層中含有25%鈷原子，層含有25%鋰原子。巖鹽相晶格中和隨機排列，無法清晰地分別出鋰層和鈷層。所以在正極材料的應用中通常不采用巖鹽相的。同時由于鋰層中的鈷原子會阻礙鋰原子的可逆脫嵌，造成中的傳質速度變慢，而脫鋰時的反應活性高，容易在電極表面形成鈍化膜，所以材料的實用化也難以實現(xiàn)。

　　2.的晶體結構

　　具有規(guī)整的橄欖石結構，屬于正交晶系(，)，每個晶胞中有四個單元。其結構如下在中，氧原子以稍微扭曲的六方緊密堆積方式排列，和各自處于氧原子八面體中心位置，形成八面體，只不過占據(jù)的是共角的白面體位置而占據(jù)的是共邊的八面體位置。交替排列的八面體、八面體和四面體形成層狀空間骨架。由于近乎六方堆積的氧原子的緊密排列，使得鋰離子只能在二維隧道內遷移，也因此具有了較高的理論密度()。該材料中和以強共價鍵牢固結合極大地穩(wěn)定了材料的晶體結構，從而使材料具有很高的熱穩(wěn)定性。許多研究表明：具有穩(wěn)定有序橄欖結構的晶體是較理想的鋰電池正極材料。

　　３． 的電化學性能

　　在純相的橄欖石結構晶體結構中，相對金屬鋰的電壓為3.4V，理論容量為170，實際容量可達到160左右。在充電過程中很穩(wěn)定，不必考慮溫度變化度晶體結構的影響，且它的充放電曲線平臺很長。充電時，鋰離子從層面間遷移出來，經(jīng)過電解進入負極，發(fā)生的氧化反應，為保持電荷平衡，電子從外電路到達負極。放電時則發(fā)生還原反應，與上述過程相反。的正極嵌脫鋰的反應時兩相反應：

　　正極反應：

　　負極反應：

　　3. 的晶體結構

　　系形成的化合物較多，可作為正極材料的主要有、、和，這些化合物在合成和充放電過程中，容易發(fā)生結構轉變，對材料的電化學性能產(chǎn)生不利的影響。這里介紹尖晶石型中股價構型，該骨架是四面體以及八面體共同面的三維網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡有利于其中原子的擴散，如下圖所示。

　　尖晶石屬于空間群，鋰原子占據(jù)了四面體(8a)位置，錳原子占據(jù)了八面體(16d)位置，氧原子占據(jù)了面心(32e)位，因此，該結構可以表示成為。由于普通面心立方結構的邊長是尖晶石結構的晶胞邊長的一半，因此可以把尖晶石結構認為是一個復雜的立方結構，包含了八個普通的面心立方晶胞。所以，一個尖晶石的晶胞包含有32個氧原子，16個錳原子占據(jù)32個八面體間隙(16d)的一半，另一半八面體(16c)側空著，鋰占據(jù)64個四面體間隙位(8a)的1/8�？芍�，鋰原子通過空著的相鄰四面體和八面體間隙沿8a-16c-8a的通道在的三維網(wǎng)絡中脫嵌。正是由于具有這種的正尖晶石結構且鋰錳氧化物資源豐富、毒性低，才使它在眾多鋰離子電池正極材料中脫穎而出，被認為是最有應用前景的4V鋰離子電池正極材料。

　　3.2 的電化學性能

　　4V電池，理論容量為148循環(huán)200次后比容量保持在100以上。它的主要缺陷是：(1)在電解液中，容易發(fā)生歧化反應生成溶解于電解液中，造成活性物質損失;(2)在深度放電過程中，錳的平均價態(tài)為3.5時會發(fā)生姜-泰勒效應，導致晶體的對成型從立方晶系逐漸轉變?yōu)樗姆骄��?(3)電解液與電極之間在充放電過程會消耗，導致兩電極間容量平衡發(fā)生改變是整個電池的比容量降低。從而導致電池經(jīng)過多次循環(huán)后發(fā)生電容量衰退。因此克服循環(huán)容量衰減是研究鋰離子正極材料重要工作。

　　三　鋰電池的使用常識

　　鋰離子電池，具有重量輕，容量大，壽命長的特點，是目前手機電池的最佳選擇，正確的使用鋰電池，能更加充分發(fā)揮它的優(yōu)勢和使用壽命。

　　1.鋰電池的激活

　　鋰離子電池激活的時間無需太過長。如果從鋰離子電池的性能特征和鋰離子電池的工作原理來看，這個說法毫無疑問是對的。

　　鋰離子電池本身要經(jīng)過恒壓充電，在它出廠以前，然后放電，如此進行循環(huán)，使電極充分淹沒電解液，充分活化，以容量達到所要求目的為止，這個叫做激活過程，這樣出來的鋰離子電池到用戶手上已經(jīng)是激活過的了�？墒谴嬖谝粋�不可避免的問題，就是電池廠出廠的電池到用戶手上，在這個時間段里面是難以確定的，有時可能是很短的，或許就一兩個月，但也有可能是非常的，能達到半年或者一年更久。如果是像剛才說的很長的時間的話，那么電池的電極材料將產(chǎn)生鈍化，因此，鋰離子電池在第一次用它時，將它進行激活還是非常需要的。所以，廠家一般也建議：對首次使用的鋰電池最好進行1到3次完全充放電過程(這里的完全放電不可理解為過度放電)以便對有可能鈍化的電極材料進行消除，達到最大容量。之后，電池就可以即充即用了，只有在長時間不用后才需要再次進行完全充電和放電，讓它恢復活力。

　　2.鋰電池的壽命

　　鋰離子電池的使用壽命與鎳鎘電池以及鎳氫電池的壽命都不同，鎳鎘和鎳氫是以充電的次數(shù)來計算，鋰離子電池的使用壽命是以充放電周期計算的，這個周期指的是鋰電池在做一次完整的充放電的過程。鋰離子電池的使用壽命在出廠時就已經(jīng)確定了，同一個品牌同一個種類和批號的產(chǎn)品，他們的使用長短,也就是充電放電的周期數(shù)是相同的。

　　鋰離子電池充放電的循環(huán)次數(shù)，一般在500次到1000次。依據(jù)“總規(guī)范”，鋰離子電池的充放電的循環(huán)次數(shù)不會低于300次，“總規(guī)范”對電池循環(huán)次數(shù)試驗有嚴格的規(guī)定。不同的循環(huán)制度得到的循環(huán)壽命次數(shù)是不同的，在低放電深度下鋰離子電池的循環(huán)壽命可達上萬次。

　　所以，鋰離子電池不存在記憶效應的說法、并且鋰電池在低放電、少放電下循環(huán)充放電的情況下，循環(huán)次數(shù)可達上萬次。

　　3. 鋰電池充電器

　　一方面,鎳鎘電池、鎳氫電池的充電方法與鋰電池的充電方法是完全不一樣的，因此，鎳鎘電池、鎳氫電池的充電器不能與鋰電池的充電器共用一個。

　　另一方面，鋰電池之間也有種類區(qū)別，由于鋰電池的性能以及參數(shù)不的不一樣，鋰離子電池充電器的參數(shù)也各不一樣，因此，一般情況下，各種規(guī)格的鋰離子電池必須使用配套、專用的充電器充電，充電器之間不能通用。

　　有人可能會這么認為，讓鋰離子電池充電器對各種種類的鋰電池都能使用，但是，這些充電器，是要安裝單片機作為核心部件，它才能通用各種電池的,并且像這種充電器價格昂貴也不方便攜帶。

　　所以，鋰離子電池充電器一般是不能通用，不同規(guī)格的鋰離子電池需要配套、專用的充電器充電。

　　4. 鋰電池的快充與慢充

　　快速充電的鋰電池,電池各種性能的衰減速度加快,不但電池不會充滿、充足,而且若不注意,還有可能引起過充、熱失控。

　　倘若對鋰電池進行標準充電方式的充電,不但使電池充足電,也會降低對電池性能的影響。

　　因此,我們應當盡量使用標準方式對鋰電池進行充電，慢充跟快充的結果是不一樣。

　　5.鋰電池的過充與過放

　　鋰離子電池一般來講不可以過度充電和過度放電，這將對鋰電池的正負極材料造成不可修復的損壞。此外，充電時如果產(chǎn)生過高的溫度，也將會導致鋰電池的損害，所以在不少的鋰電池正負極之間都會設有保護性的電解質或溫度控制隔膜添加劑。在電池升溫到一定的情況下，電解質或復合膜膜孔變性，電池內阻將會增大直到斷路，電池停止升溫，確保電池充電溫度正常。一般來講，鋰電池配套的充電器通常都會有充放電的控制電路裝置，當電池充滿時，電路會自動斷開，為保護鋰離子電池，指示燈將自動熄滅。這樣，當你給鋰離子電池充電時，即使忘記及時拔下鋰電池充電器，也不用擔心鋰電池會過充或者過熱而損壞電池。這個時候插不插上電源其實已經(jīng)沒有區(qū)別了。但是，如果你的充電器不是自動斷開的保護裝置電路，那么，你的電池一旦充電完成時，必須及時切斷電源插頭，以避免鋰離子電池因過充或高溫而損壞。

　　6. 鋰電池的保養(yǎng)

　　保養(yǎng)方法： ①其實不需要刻意使鋰電池每一次都是在電力用盡后再充，外出前可以將電池充滿電，帶上一塊備用電池不失為一個理智的選擇。②經(jīng)過一段時間后，可以進行一次在保護電路控制下的深充放，以保護電池的電量。③切記鋰離子電池不要過度的充電。如果你的充電器沒有自動斷電裝置功能，那么就必須在充電完成后，自己及時拔下電源插頭。否則，不但會有可能損壞電池，而且會有可能因為電池的電壓過高而燒壞設備，比如說數(shù)碼照相機，特別是高像素數(shù)碼照相機。④如果鋰電池長期不用時，應充入一定的電量以防電池在存貯中自放電過量，導致過度放電的損壞。同時，為減弱其自身內部鈍化反應的速度，應存放在陰涼的地方。⑤實際上，鋰離子電池在使用中，不需要考慮太多的方面，也就是說，就是顧及也沒有太大的作用。一個電池能使用多久，也許差別更多的來自電池本身的性能決定，在制造中的或許就存在個體差異。

　　四 結束語

　　鋰離子電池是一種高性能的二次綠色環(huán)保電池，具有子房電率低、使用溫度范圍寬且具有高電壓、高能量密度(包括質量比能量、體積能量)、長的循環(huán)壽命、無記憶效應以及能夠大電流充放電等優(yōu)點。由于鋰離子電池具有以上的優(yōu)點，使得其發(fā)展相當迅速。正極材料作為鋰離子電池的重要組成部分，其性能和成本對鋰離子電池的進一步發(fā)展起著關鍵性的作用。因此，開發(fā)出廉價的具有高電壓、高容量和良好可塑性的正極材料是提高鋰離子電池性能的重點工作。

　　是目前已廣泛使用的正極材料，但材料中鈷的價格比較昂貴，使其只能用作小電池(照相機電池、手機電池和計算機電池等)。而錳系正極材料在價格、環(huán)境方面有獨特的優(yōu)勢，替代已經(jīng)指日可待，尖晶石型將是下一代鋰電池最有希望的正極材料之一。

　　參考文獻

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