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电池原理与分类

1 电池基础知识

电池目前大量应用于我们的生活中,主要包括3C消费类、动力类、储能类。
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图1 电池应用方向

备注:3C指的是计算机(Computer )、通讯(Communication)消费类电子产品(Consumer Electronic)三类电子产品的简称

2 电池原理

电池里有使用金属材料的正电极(正极)和负电极(负极),借由离子而导电的物质(电解质)充满在正负极之间。金属电极被电解质熔化,分为离子和电子,电子从负极向正极移动产生电流,这时便产生电。二次电池是在开始使用电池之前通过充电,预先将电子储蓄在负极,使用电池时储蓄的电子向正极移动从而产生电。
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图2 电池构造

3 电池构成

  1. 正极:复合锂材料+导电剂+粘合剂+集流体
  2. 负极:石墨+导电剂+粘合剂+集流体
  3. 电解液:由有机溶剂、电解质、添加剂在一定条件下,按照一定比例配置而成,是正负极离子传输的通道
  4. 隔膜:单层PE+陶瓷&聚合物

4 电池分类

电池按照材料组成材料的不同可以分为:铅酸电池、锂电池
石墨烯电池、固态电池等。

4.1 铅酸电池

铅蓄电池是一百多年前就使用的历史悠久的电池,在锂离子电池等新型电池开发问世的现今,依然还继续用作部分汽车和电瓶车的蓄电池。铅蓄电池的正负极材料都使用铅,因而与锂离子电池相比,制造成本非常廉价。但由于铅比其他金属重,因此蓄电池自身也就重。此外电压最高只能到2V,自放电大也是铅蓄电池的缺点。虽然铅蓄电池有着这些缺点,但是因为它的廉价,以及技术基本成熟,可靠性高,依然还是有不错的应用价值。
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铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;充电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。
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图3 铅酸电池的化学反应
放电化学反应
铅酸蓄电池中的正极活性物质(二氧化铅)与负极活性物质(海绵铅)和电解液(30%-40%的稀硫酸溶液),反应生成硫酸铅和水。
充电化学反应
硫酸铅和水转化为二氧化铅、海绵铅与稀硫酸。

Tips:铅酸电池因为电解质直接参与氧化还原反应,电解液会存在较大消耗导致电池容量下降或者提前失效,因此铅酸电池需要及时补充电解液。

4.2 锂电池

锂离子电池是预先在正极使用含锂金属化合物,负极使用能吸储锂的碳(石墨)。通过这样的结构,无须如传统电池一般由电解质熔化电极就能发电,从而减缓了电池本身的老化,不仅能储蓄更多的电,充放电的次数也得以增加。此外,锂是非常小而轻的物质,从而能使电池具有小型轻量化等各种优点。
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充电过程:正极的Li原子分解成Li+离子+电子,Li+离子通过电解液到达负极,电子通过外电路到达负极(脱嵌)。在负极Li+离子+电子结合程Li原子(插入)。
放电过程:负极的Li原子分解成Li+离子+电子,Li+离子通过电解液到达正极,电子通过外电路到达正极(脱插)。在正极Li+离子+电子结合程Li原子(嵌入)。

4.2.2 锂电池分类

根据正极所用的金属材料的不同,锂离子电池分为几个种类。最初锂离子电池的正极所用的金属材料是钴。不过钴的产量几乎与锂同样少,也是稀有金属,制造成本高。因此开始使用廉价且环境负荷小的材料,例如锰、镍、铁等金属。锂离子电池按其所使用的材料而分类,下面来看看各种类分别都有哪些特点。
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钴系锂离子电池
正极使用钴酸锂。钴酸锂比较容易合成,便于使用,因而锂离子电池最早量产的是钴酸锂离子电池。但由于钴是稀有金属,价格昂贵,几乎没有被用于汽车零件。

锰系锂离子电池
正极使用锰酸锂。优点是电压能与钴系锂离子电池差不多,而且制造成本廉价。缺点是充放电中锰可能会熔化于电解质,缩短电池的寿命。

磷酸铁系锂离子电池
正极使用磷酸铁锂。磷酸铁系锂离子电池的优点在于即使内部发热结构也难以损坏,安全性高,而且以铁为原料,制造成本比锰系更低。但是电压比其他的锂离子电池低。

三元系锂离子电池
三元系锂离子电池是为了减少钴的用量,使用钴、镍、锰三种材料制造的电池。现在三元系锂离子电池大多镍的比例较高。虽然电压比钴系、锰系略低,但能减少制造成本。不过虽说如此,各个材料的合成制备较难,稳定性低等,作为实用材料尚存在有待解决的课题。

4.3 石墨烯电池

石墨烯其实就是单层石墨,只要你能将石墨切出一片来,并且这一片只有一层原子。石墨烯电池,是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种惟有一个原子层厚度的准二维材料,所以又叫做单原子层石墨。 利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种新能源电池。 由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天范畴的使用优点也是极为突出的。
1、储电量不同:一个锂电池(以最先进的为准)的比能量数值为180wh/kg,而一个石墨烯电池的比能量则超过600wh/kg。
2、使用寿命不同:石墨烯的使用寿命是锂电池的两倍,并且在高温下也比锂电池更为耐用。但是目前市面上很多宣称石墨烯的其实是石墨烯+电池,并不是真正意义上的石墨烯电池。
石墨烯+电池≠石墨烯电池
目前可以看到的,主要有两个方向,一是作为导电添加剂,二是作为负极材料。
石墨烯作为导电剂,可以促进快速充放电,但对工艺本身提出了很高的要求。常温下,石墨烯也无法做到超导,与更廉价的添加剂相比,并没有太多优势。
至于将石墨烯用作负极材料,理论上比石墨电极容量大,但性能很容易受到表面状态的影响。而且,石墨烯将遇到“一生之敌”硅的挑战,毕竟将硅作为负极材料,容量更大,而且更加唾手可及。

4.4 固态电池

固态电池是一种使用固体电极和固体电解质,后续会专门介绍。
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以上内容仅为个人观点,如有错误或不足,欢迎指正和补充。

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