什么是锂电池?其工作原理是什么?

发布时间:2023-12-06 18:11:10 阅读:257

锂离子电池是一种二次电池(即可反复充放电的电池),它重要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+(锂离子)在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,因为锂离子在正极和负极材料中储存时能量不同,而该能量差就是锂离子电池能存储/释放的电量:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态,正极处于脱锂状态;放电时则相反。下图就是锂离子电池工作的典型示意图,其使用的反应体系为最经典的钴酸锂正极-石墨负极。


在该电池中,以充电过程为例正负极的具体反应如下:


LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-


6C+xLi++xe-=LixC6

因为材料本体的性质局限,在正极的反应过程中,钴酸锂一般情况下只能脱出0.5个锂离子,再多则会导致结构坍塌损坏,因此一般情况下钴酸锂的理论容量上限只有140mAh/g左右,而负极石墨的理论密度为360mAh/g。再加上钴酸锂的放电的平均电压为3.7V(实际上是从4.2V的充满电最高电压逐渐下降到3V左右,3.7V为平均值),同时,考虑到石墨负极很低的电位值,以及电池中各种其它元件的占比,最后可以得到我们用的锂离子电池(例:手机)的能量密度大约是160Wh/kg左右。


能量密度关于各种电池都是最为基础的核心参数,必须而且应该是公开透明数据。然目前常用锂离子电池中,由于取决材料、技术体系不同,能量密度可以从几十(比如钛酸锂)到200Wh/kg左右。一旦这个数值极高(或极低),就值得重点关注了:一方面,在技术人员的努力下,做出了较高的能量密度,可能技术上有突破,值得庆祝;另一方面,不排除有部分人士商家存在性能夸大现象。假如能量密度数据不轻易标出,则消费者购买/投资人投资前就需谨慎思考(因为谨慎推测:不愿意标注的多半是因为该性能不佳)。电池的基础是电化学科学,而关于这一领域,有一个朴素但是最为基本的原理:任何一种电池,其存储能量的机理均需写出一个相应的电化反应方程式,如此才能了解其电压情况,判断其理论极限能量密度等,而且这些关于电池而言都只是最基本信息。不论此电池技术有多新(或只是相关人士所说的新),其原理都必须能写成化学方程式,落实在纸面上,如此才可以经得起学界、工业界常识的检验。


笔者近来有友被推销一种电池,然而推销人士却对最基本电池反应原理三缄其口,因为怕泄密,同时说出一些违反电化学基本常识的理论,因此购买与采用该技术前还是建议要做仔细调研,谨慎行事。因为就电池而言,电化学反应机理是最基本信息,要公开透明,而且这还仅仅是第一步在具有科学理论基础后,想要实用化,电池工程技术真正的壁垒在于对材料、整体结构以及工艺的优化。即使基础原理清楚,还需考虑实现难度,毕竟新技术工程化的艰辛是远超出很多人的想像的。近几十年来我国工业取得如此大成就得益于技术人员的辛勤积累,不懈坚持与严谨钻研。我国的电池工业能有目前的成就,同样离不开脚踏实地的实干精神和在工业工程化中的辛勤探索。


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