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探究如何正確使用鋰離子電池
引導(dǎo)語(yǔ)：一個(gè)鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，外加正負(fù)極引線，安全閥，PTC(正溫度控制端子)，電池殼等。以下是YJBYS的小編為大家找到的探究如何正確使用鋰離子電池。希望能幫助大家!
摘要：鋰離子電池以其比能量高、功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電小、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為當(dāng)代便攜式電子產(chǎn)品的可再充式電源的主要選擇對(duì)象，可廣泛應(yīng)用于通訊、交通、機(jī)動(dòng)車輛、軍事、計(jì)算器具和家用電器等諸多方面。對(duì)鋰離子電池而言，其主要構(gòu)成材料包括電解液、膈膜、正負(fù)極材料。不僅要對(duì)它的電化學(xué)性能有所了解，更要注意對(duì)鋰離子電池的使用方法，正確得當(dāng)?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(guān)鍵詞：電池 工作原理 鋰離子
一、鋰離子電池的工作原理
一個(gè)鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，外加正負(fù)極引線，安全閥，PTC(正溫度控制端子)，電池殼等。一般來(lái)講，鋰電池種類很多，但它們的工作原理基本相同。在充電時(shí)，鋰離子脫離正極材料，再通過(guò)隔膜以及電解液，再進(jìn)入負(fù)極材料，放電過(guò)程正好跟充電相反。以常見(jiàn)的液態(tài)鋰離子為例，當(dāng)以石墨為負(fù)極材料，以為正極材料時(shí)。
二、生活中常見(jiàn)的幾種正極材料
1. 晶體結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)、尖晶石結(jié)構(gòu)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(guò)度金屬原子分別形成與氧原子層平行的單獨(dú)層，層和層交替分布層兩側(cè)，占據(jù)八面空隙，通過(guò)它們的相互層疊堆積形成六方晶系的超點(diǎn)陣，所以層狀的框架結(jié)構(gòu)可為鋰原子提供二位的遷移通道;尖晶石結(jié)構(gòu)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(jī)排列，無(wú)法清晰地分別出鋰層和鈷層。所以在正極材料的應(yīng)用中通常不采用巖鹽相的。同時(shí)由于鋰層中的鈷原子會(huì)阻礙鋰原子的可逆脫嵌，造成中的傳質(zhì)速度變慢，而脫鋰時(shí)的反應(yīng)活性高，容易在電極表面形成鈍化膜，所以材料的實(shí)用化也難以實(shí)現(xiàn)。
2.的晶體結(jié)構(gòu)
具有規(guī)整的橄欖石結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系(，)，每個(gè)晶胞中有四個(gè)單元。其結(jié)構(gòu)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(guò)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(nèi)遷移，也因此具有了較高的理論密度()。該材料中和以強(qiáng)共價(jià)鍵牢固結(jié)合極大地穩(wěn)定了材料的晶體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的晶體是較理想的鋰電池正極材料。
3. 的電化學(xué)性能
在純相的橄欖石結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)中，相對(duì)金屬鋰的電壓為3.4V，理論容量為170，實(shí)際容量可達(dá)到160左右。在充電過(guò)程中很穩(wěn)定，不必考慮溫度變化度晶體結(jié)構(gòu)的影響，且它的充放電曲線平臺(tái)很長(zhǎng)。充電時(shí)，鋰離子從層面間遷移出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解進(jìn)入負(fù)極，發(fā)生的氧化反應(yīng)，為保持電荷平衡，電子從外電路到達(dá)負(fù)極。放電時(shí)則發(fā)生還原反應(yīng)，與上述過(guò)程相反。的正極嵌脫鋰的反應(yīng)時(shí)兩相反應(yīng)：
正極反應(yīng)：
負(fù)極反應(yīng)：
3. 的晶體結(jié)構(gòu)
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(guò)程中，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，對(duì)材料的電化學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響。這里介紹尖晶石型中股價(jià)構(gòu)型，該骨架是四面體以及八面體共同面的三維網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)有利于其中原子的擴(kuò)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(jié)構(gòu)可以表示成為。由于普通面心立方結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)是尖晶石結(jié)構(gòu)的晶胞邊長(zhǎng)的一半，因此可以把尖晶石結(jié)構(gòu)認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的立方結(jié)構(gòu)，包含了八個(gè)普通的面心立方晶胞。所以，一個(gè)尖晶石的晶胞包含有32個(gè)氧原子，16個(gè)錳原子占據(jù)32個(gè)八面體間隙(16d)的一半，另一半八面體(16c)側(cè)空著，鋰占據(jù)64個(gè)四面體間隙位(8a)的1/8。可知，鋰原子通過(guò)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(luò)中脫嵌。正是由于具有這種的正尖晶石結(jié)構(gòu)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(rèn)為是最有應(yīng)用前景的4V鋰離子電池正極材料。
3.2 的電化學(xué)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(yīng)生成溶解于電解液中，造成活性物質(zhì)損失;(2)在深度放電過(guò)程中，錳的平均價(jià)態(tài)為3.5時(shí)會(huì)發(fā)生姜-泰勒效應(yīng)，導(dǎo)致晶體的對(duì)成型從立方晶系逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?(3)電解液與電極之間在充放電過(guò)程會(huì)消耗，導(dǎo)致兩電極間容量平衡發(fā)生改變是整個(gè)電池的比容量降低。從而導(dǎo)致電池經(jīng)過(guò)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(shí)
鋰離子電池，具有重量輕，容量大，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是目前手機(jī)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(shì)和使用壽命。
1.鋰電池的激活
鋰離子電池激活的時(shí)間無(wú)需太過(guò)長(zhǎng)。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(lái)看，這個(gè)說(shuō)法毫無(wú)疑問(wèn)是對(duì)的。
鋰離子電池本身要經(jīng)過(guò)恒壓充電，在它出廠以前，然后放電，如此進(jìn)行循環(huán)，使電極充分淹沒(méi)電解液，充分活化，以容量達(dá)到所要求目的為止，這個(gè)叫做激活過(guò)程，這樣出來(lái)的鋰離子電池到用戶手上已經(jīng)是激活過(guò)的了。可是存在一個(gè)不可避免的問(wèn)題，就是電池廠出廠的電池到用戶手上，在這個(gè)時(shí)間段里面是難以確定的，有時(shí)可能是很短的，或許就一兩個(gè)月，但也有可能是非常的，能達(dá)到半年或者一年更久。如果是像剛才說(shuō)的很長(zhǎng)的時(shí)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(shí)，將它進(jìn)行激活還是非常需要的。所以，廠家一般也建議：對(duì)首次使用的鋰電池最好進(jìn)行1到3次完全充放電過(guò)程(這里的完全放電不可理解為過(guò)度放電)以便對(duì)有可能鈍化的電極材料進(jìn)行消除，達(dá)到最大容量。之后，電池就可以即充即用了，只有在長(zhǎng)時(shí)間不用后才需要再次進(jìn)行完全充電和放電，讓它恢復(fù)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(lái)計(jì)算，鋰離子電池的使用壽命是以充放電周期計(jì)算的，這個(gè)周期指的是鋰電池在做一次完整的充放電的過(guò)程。鋰離子電池的使用壽命在出廠時(shí)就已經(jīng)確定了，同一個(gè)品牌同一個(gè)種類和批號(hào)的產(chǎn)品，他們的使用長(zhǎng)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(huì)低于300次，“總規(guī)范”對(duì)電池循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)有嚴(yán)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(dá)上萬(wàn)次。
所以，鋰離子電池不存在記憶效應(yīng)的說(shuō)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(dá)上萬(wàn)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(gè)。
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(huì)這么認(rèn)為，讓鋰離子電池充電器對(duì)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(jī)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(jià)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(huì)充滿、充足,而且若不注意,還有可能引起過(guò)充、熱失控。
倘若對(duì)鋰電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電方式的充電,不但使電池充足電,也會(huì)降低對(duì)電池性能的影響。
因此,我們應(yīng)當(dāng)盡量使用標(biāo)準(zhǔn)方式對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，慢充跟快充的結(jié)果是不一樣。
5.鋰電池的過(guò)充與過(guò)放
鋰離子電池一般來(lái)講不可以過(guò)度充電和過(guò)度放電，這將對(duì)鋰電池的正負(fù)極材料造成不可修復(fù)的損壞。此外，充電時(shí)如果產(chǎn)生過(guò)高的溫度，也將會(huì)導(dǎo)致鋰電池的損害，所以在不少的鋰電池正負(fù)極之間都會(huì)設(shè)有保護(hù)性的電解質(zhì)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(zhì)或復(fù)合膜膜孔變性，電池內(nèi)阻將會(huì)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(lái)講，鋰電池配套的充電器通常都會(huì)有充放電的控制電路裝置，當(dāng)電池充滿時(shí)，電路會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，為保護(hù)鋰離子電池，指示燈將自動(dòng)熄滅。這樣，當(dāng)你給鋰離子電池充電時(shí)，即使忘記及時(shí)拔下鋰電池充電器，也不用擔(dān)心鋰電池會(huì)過(guò)充或者過(guò)熱而損壞電池。這個(gè)時(shí)候插不插上電源其實(shí)已經(jīng)沒(méi)有區(qū)別了。但是，如果你的充電器不是自動(dòng)斷開(kāi)的保護(hù)裝置電路，那么，你的電池一旦充電完成時(shí)，必須及時(shí)切斷電源插頭，以避免鋰離子電池因過(guò)充或高溫而損壞。
6. 鋰電池的保養(yǎng)
保養(yǎng)方法： ①其實(shí)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(gè)理智的選擇。②經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，可以進(jìn)行一次在保護(hù)電路控制下的深充放，以保護(hù)電池的電量。③切記鋰離子電池不要過(guò)度的充電。如果你的充電器沒(méi)有自動(dòng)斷電裝置功能，那么就必須在充電完成后，自己及時(shí)拔下電源插頭。否則，不但會(huì)有可能損壞電池，而且會(huì)有可能因?yàn)殡姵氐碾妷哼^(guò)高而燒壞設(shè)備，比如說(shuō)數(shù)碼照相機(jī)，特別是高像素?cái)?shù)碼照相機(jī)。④如果鋰電池長(zhǎng)期不用時(shí)，應(yīng)充入一定的電量以防電池在存貯中自放電過(guò)量，導(dǎo)致過(guò)度放電的損壞。同時(shí)，為減弱其自身內(nèi)部鈍化反應(yīng)的速度，應(yīng)存放在陰涼的地方。⑤實(shí)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(shuō)，就是顧及也沒(méi)有太大的作用。一個(gè)電池能使用多久，也許差別更多的來(lái)自電池本身的性能決定，在制造中的或許就存在個(gè)體差異。
四、結(jié)束語(yǔ)
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(zhì)量比能量、體積能量)、長(zhǎng)的循環(huán)壽命、無(wú)記憶效應(yīng)以及能夠大電流充放電等優(yōu)點(diǎn)。由于鋰離子電池具有以上的優(yōu)點(diǎn)，使得其發(fā)展相當(dāng)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(duì)鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用。因此，開(kāi)發(fā)出廉價(jià)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(diǎn)工作。
是目前已廣泛使用的正極材料，但材料中鈷的價(jià)格比較昂貴，使其只能用作小電池(照相機(jī)電池、手機(jī)電池和計(jì)算機(jī)電池等)。而錳系正極材料在價(jià)格、環(huán)境方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(xiàn)
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