锂离子电池

通过金 更新： 2022 年 7 月 9 日

锂离子电池是含有锂离子的可充电电池。 它们被用于从手机到汽车的一切事物中。 但它们是如何工作的？

锂离子电池使用嵌入过程来储存能量。 这个过程涉及锂离子在电池内部的阴极和阳极之间移动。 什么时候 充电，离子从阳极移动到阴极，放电时，它们向相反的方向移动。

但这只是一个简短的概述。 让我们更详细地看一下一切。

什么是锂离子电池？

如今，锂离子电池无处不在！ 他们为我们的手机供电， 笔记本电脑、电动汽车等。 但它们到底是什么？ 让我们仔细看看！

基础知识

锂离子电池由一个或多个电芯、保护电路板和一些其他组件组成：

• 电极：电池的带正电和负电的末端。 附在集电器上。
• 阳极：负电极。
• 电解质：导电的液体或凝胶。
• 集电器：连接到电池端子的电池每个电极上的导电箔。 这些端子在电池、设备和为电池供电的能源之间传输电流。
• 隔板：一种多孔聚合物薄膜，可分隔电极，同时使锂离子能够从一侧交换到另一侧。

运行流程

当您使用由锂离子电池供电的设备时，锂离子会在电池内部的阳极和阴极之间移动。 同时，电子在外电路中来回移动。 离子和电子的这种运动会产生为您的设备供电的电流。

当电池放电时，阳极将锂离子释放到阴极，产生有助于为设备供电的电子流。 当电池充电时，会发生相反的情况：锂离子由阴极释放并由阳极接收。

你在哪里可以找到他们？

如今，锂离子电池无处不在！ 您可以在手机、笔记本电脑、电动汽车等中找到它们。 所以下次您使用您最喜欢的设备时，请记住它是由锂离子电池供电的！

锂离子电池的迷人历史

NASA 的早期尝试

早在 60 年代，美国宇航局就已经在尝试制造可充电锂离子电池。 他们开发了一种 CuF2/Li 电池，但效果并不理想。

M. Stanley Whittingham 的突破

1974年，英国化学家M. Stanley Whittingham在使用二硫化钛（TiS2）作为阴极材料时取得了突破。 它具有层状结构，可以在不改变其晶体结构的情况下吸收锂离子。 埃克森美孚试图将这种电池商业化，但它过于昂贵和复杂。 此外，由于电池中存在金属锂，它很容易着火。

Godshall、Mizushima 和 Goodenough

1980 年，Ned A. Godshall 等人。 Koichi Mizushima 和 John B. Goodenough 用钴酸锂（LiCoO2，或 LCO）代替了 TiS2。 它具有类似的层状结构，但电压更高，在空气中更稳定。

Rachid Yazami 的发明

同年，Rachid Yazami 展示了锂在石墨中的可逆电化学嵌入，并发明了锂石墨电极（阳极）。

可燃性问题

可燃性问题仍然存在，因此锂金属阳极被放弃了。 最终的解决方案是使用嵌入阳极，类似于用于阴极的阳极，它可以防止在电池充电过程中形成锂金属。

吉野的设计

1987 年，Akira Yoshino 获得了专利，这将成为第一个使用“软碳”（一种类似木炭的材料）阳极以及 Goodenough 的 LCO 阴极和碳酸酯基电解质的商用锂离子电池。

索尼的商业化

1991 年，索尼开始生产和销售世界上第一款采用吉野设计的可充电锂离子电池。

诺贝尔奖

2012 年，John B. Goodenough、Rachid Yazami 和 Akira Yoshino 因开发锂离子电池而获得 2012 年 IEEE 环境与安全技术奖章。 然后，在 2019 年，Goodenough、Whittingham 和 Yoshino 因同一件事获得了诺贝尔化学奖。

全球产能

2010年全球锂离子电池产能为20吉瓦时。 到2016年，增长到28GWh，其中中国16.4GWh。 2020年全球产能767GWh，中国占比75%。 2021 年估计在 200 到 600 GWh 之间，2023 年的预测范围在 400 到 1,100 GWh 之间。

18650 锂离子电池背后的科学

什么是 18650 电池？

如果您听说过笔记本电脑电池或电动汽车，您很可能听说过 18650 电池。 这种类型的锂离子电池呈圆柱形，用途广泛。

18650 电池内部有什么？

18650 电池由多个组件组成，所有组件共同为您的设备供电：

• 负极通常由石墨制成，石墨是碳的一种形式。
• 正极通常由金属氧化物制成。
• 电解质是有机溶剂中的锂盐。
• 隔板可防止阳极和阴极短路。
• 集电器是一块金属，将外部电子设备与阳极和阴极隔开。

18650 电池有什么作用？

18650 电池负责为您的设备供电。 它通过在阳极和阴极之间产生化学反应来实现这一点，从而产生流经外部电路的电子。 电解质有助于促进这种反应，而集电器可确保电子不会短路。

18650电池的未来

对电池的需求不断增加，因此研究人员一直在寻找提高 18650 电池能量密度、工作温度、安全性、耐久性、充电时间和成本的方法。 这包括试验新材料，如石墨烯，以及探索替代电极结构。

因此，下次您使用笔记本电脑或电动汽车时，请花点时间欣赏 18650 电池背后的科学原理！

锂离子电池的类型

小圆柱

这些是最常见的锂离子电池类型，在大多数电动自行车和电动汽车电池中都能找到。 它们有多种标准尺寸，机身坚固，没有任何端子。

大圆柱

这些锂离子电池比小型圆柱形电池大，并且具有大螺纹端子。

扁平或小袋

这些是您可以在手机和新型笔记本电脑中找到的柔软扁平电池。 它们也被称为锂离子聚合物电池。

硬塑料外壳

这些电池带有大螺纹端子，通常用于电动汽车牵引包。

果冻卷

圆柱形电池以特有的“瑞士卷”方式制成，在美国也称为“果冻卷”。 这意味着它是一个由正极、隔膜、负极和隔膜卷成一个线轴的长“三明治”。 果冻卷的优点是生产速度比堆叠电极的电池快。

袋装电池

软包电池具有最高的重量能量密度，但它们需要外部密封装置以防止在充电状态 (SOC) 水平较高时膨胀。

液流电池

液流电池是一种相对新型的锂离子电池，将阴极或阳极材料悬浮在水溶液或有机溶液中。

最小的锂离子电池

2014 年，松下创造了最小的锂离子电池。 它是针形的，直径为 3.5 毫米，重量为 0.6 克。 它类似于普通锂电池，通常以“LiR”为前缀指定。

电池组

电池组由多个连接的锂离子电池组成，用于为电动汽车等大型设备供电。 它们包含温度传感器、稳压器电路、电压抽头和充电状态监视器，以最大限度地降低安全风险。

锂离子电池有什么用途？

消费类电子产品

锂离子电池是您所有喜爱的小工具的首选电源。 从您可信赖的手机到笔记本电脑，数字 相机和电子香烟，这些电池让您的技术保持运行。

电动工具

如果您是 DIY 爱好者，您就会知道锂离子电池是最佳选择。 无绳电钻、砂光机、锯子，甚至是剪刀和绿篱机等园艺设备都依赖于这些电池。

电动车

电动汽车、混合动力汽车、电动摩托车和踏板车、电动自行车、个人代步车和高级电动轮椅都使用锂离子电池出行。 我们不要忘记无线电遥控模型、模型飞机，甚至火星好奇号探测器！

通信

锂离子电池还用作电信应用中的备用电源。 此外，它们正在作为电网储能的潜在选择进行讨论，尽管它们在成本上还不具备竞争力。

您需要了解的有关锂离子电池性能的信息

能量密度

说到锂离子电池，您看到的是非常高的能量密度！ 我们说的是 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) 和 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3)。 足以点亮一座小城！

电压

锂离子电池的开路电压高于铅酸、镍氢和镍镉等其他类型的电池。

内部阻力

内阻随着循环和老化而增加，但这取决于电池储存的电压和温度。 这意味着端子处的电压在负载下下降，从而减少了最大电流消耗。

充电时间

锂离子电池需要两个小时或更长时间才能充电的日子已经一去不复返了。 如今，您可以在 45 分钟或更短时间内充满电！ 2015 年，研究人员甚至展示了一块 600 mAh 容量的电池可在两分钟内充电至 68% 的容量，以及一块 3,000 mAh 电池可在五分钟内充电至 48% 的容量。

降低成本

自 1991 年以来，锂离子电池取得了长足的进步。价格下降了 97%，能量密度增加了两倍多。 具有相同化学成分的不同大小的电池也可以具有不同的能量密度，因此您可以获得更多的收益。

锂离子电池寿命有何影响？

基础知识

对于锂离子电池，寿命通常以达到特定阈值所需的完全充放电循环次数来衡量。 该阈值通常定义为容量损失或阻抗上升。 制造商通常使用术语“循环寿命”来描述电池的寿命，即达到其额定容量的 80% 所需的循环次数。

在充电状态下储存锂离子电池也会降低其容量并增加电池电阻。 这主要是因为阳极上固体电解质界面的不断生长。 电池的整个生命周期，包括循环和非活动存储操作，称为日历寿命。

影响电池循环寿命的因素

电池的循环寿命受多种因素影响，例如：

• 温度
• 放电电流
• 充电电流
• 充电状态范围（放电深度）

在智能手机、笔记本电脑和电动汽车等实际应用中，电池并不总是充满电和完全放电。 这就是为什么根据完全放电循环来定义电池寿命可能会产生误导。 为避免这种混淆，研究人员有时会使用累积放电，即电池在其整个生命周期或等效的完整周期内提供的总电荷量 (Ah)。

电池退化

电池在其使用寿命期间会逐渐退化，导致容量降低，在某些情况下，还会降低电池的工作电压。 这是由于电极发生了各种化学和机械变化。 退化与温度密切相关，高电荷水平也会加速容量损失。

一些最常见的降解过程包括：

• 阳极有机碳酸盐电解质的还原，导致固体电解质界面 (SEI) 的生长。 这导致欧姆阻抗增加和可循环 Ah 电荷减少。

• 锂金属电镀，这也会导致锂库存（可循环Ah充电）和内部短路的损失。

• 由于溶解、开裂、剥落、分离甚至循环过程中有规律的体积变化而导致的（负极或正极）电活性材料的损失。 这表现为电荷和功率衰减（电阻增加）。

• 低电池电压下负极铜集电器的腐蚀/溶解。

• PVDF 粘合剂的降解，这会导致电活性材料的分离。

因此，如果您正在寻找经久耐用的电池，请务必关注可能影响其循环寿命的所有因素！

锂离子电池的危险

什么是锂离子电池？

锂离子电池是我们现代世界的动力源。 从智能手机到电动汽车，无所不在。 但是，就像所有强大的东西一样，它们也有一些风险。

有什么风险？

锂离子电池含有易燃电解液，如果损坏会加压。 这意味着如果电池充电过快，可能会导致短路并导致爆炸和火灾。

以下是锂离子电池可能变得危险的一些方式：

• 热滥用：冷却不良或外部火灾
• 电气滥用：过度充电或外部短路
• 机械滥用：穿透或碰撞
• 内部短路：制造缺陷或老化

有什么可以做什么？

锂离子电池的测试标准比酸性电解质电池的测试标准更为严格。 安全监管机构也施加了运输限制。

在某些情况下，公司不得不因电池相关问题召回产品，例如 7 年三星 Galaxy Note 2016 召回事件。

正在进行研究项目以开发不易燃的电解质以减少火灾隐患。

如果锂离子电池在没有过充电保护的情况下损坏、压碎或承受更高的电力负载，就会出现问题。 电池短路会导致电池过热并可能着火。

底线

锂离子电池功能强大，彻底改变了我们的世界，但也存在一些风险。 了解这些风险并采取措施降低风险非常重要。

锂离子电池对环境的影响

什么是锂离子电池？

锂离子电池是我们许多日常设备（从电话、笔记本电脑到电动汽车）的电源。 它们由锂、镍和钴组成，以高能量密度和长寿命着称。

什么是环境影响？

锂离子电池的生产会对环境产生严重影响，包括：

• 锂、镍和钴的提取会对水生生物造成危害，导致水污染和呼吸系统问题。
• 采矿副产品会导致生态系统退化和景观破坏。
• 干旱地区不可持续的水资源消耗。
• 锂提取过程中产生大量副产品。
• 锂离子电池制造的全球变暖潜势。

我们可以做什么？

我们可以通过以下方式帮助减少锂离子电池对环境的影响：

• 回收锂离子电池以减少生产的碳足迹。
• 重复使用电池而不是回收电池。
• 安全存放用过的电池以降低风险。
• 使用火法冶金和湿法冶金方法分离电池的组件。
• 将回收过程中产生的矿渣精炼用于水泥工业。

锂提取对人权的影响

对当地人的危害

提取锂离子电池的原材料可能对当地居民，尤其是土著居民构成危险。 来自刚果民主共和国的钴在开采时往往缺乏安全预防措施，导致伤亡事故。 这些矿山的污染使人们接触到有毒化学物质，这些化学物质可能导致先天缺陷和呼吸困难。 还有报道称，这些矿山使用童工。

缺乏自由事先和知情同意

阿根廷的一项研究发现，国家可能没有保护土著人民获得自由事先知情同意的权利，而且开采公司控制着社区对信息的访问，并设定了项目讨论和利益分享的条款。

抗议和诉讼

内华达州 Thacker Pass 锂矿的开发遭到了几个土着部落的抗议和诉讼，他们说他们没有得到自由的事先知情同意，并且该项目威胁到文化和圣地。 人们还担心该项目会给土著妇女带来风险。 自 2021 年 XNUMX 月以来，抗议者一直在占领该地点。

锂提取对人权的影响

对当地人的危害

提取锂离子电池的原材料对当地居民，尤其是土著居民来说是一件真正的麻烦事。 来自刚果民主共和国的钴在开采时往往缺乏安全预防措施，导致伤亡事故。 这些矿山的污染使人们接触到有毒化学物质，这些化学物质可能导致先天缺陷和呼吸困难。 还有报道称，这些矿山使用童工。 哎呀！

缺乏自由事先和知情同意

阿根廷的一项研究发现，国家可能没有赋予土著人民自由事先知情同意的权利，而且开采公司控制着社区对信息的访问，并设定了项目讨论和利益分享的条款。 不酷。

抗议和诉讼

内华达州 Thacker Pass 锂矿的开发遭到了几个土着部落的抗议和诉讼，他们说他们没有得到自由的事先知情同意，并且该项目威胁到文化和圣地。 人们还担心该项目会给土著妇女带来风险。 自 2021 年 XNUMX 月以来，抗议者一直在占领该地点，而且他们似乎不打算很快离开。

差异

锂离子电池与锂聚合物

当谈到锂离子电池与锂聚合物电池时，这是一场巨头之战。 锂离子电池非常高效，可以将大量能量装入一个微小的封装中。 但是，如果正极和负极之间的屏障被破坏，它们可能会变得不稳定和危险。 另一方面，锂聚合物电池更安全，因为它们不会遭受同样的燃烧风险。 它们也不会受到锂离子电池所具有的“记忆效应”的影响，这意味着它们可以充电多次而不会损失容量。 此外，它们的使用寿命比锂离子电池更长，因此您不必担心经常更换它们。 因此，如果您正在寻找安全、可靠且持久耐用的电池，锂聚合物电池就是您的不二之选！

锂离子电池与铅酸电池

铅酸电池比锂离子电池便宜，但性能不如锂电池。 铅酸电池充满电最多需要 10 小时，而锂离子电池只需几分钟即可充满电。 那是因为锂离子电池可以接受更快的电流，比铅酸电池充电更快。 因此，如果您正在寻找一种能够快速高效充电的电池，那么锂离子电池就是您的不二之选。 但如果您的预算有限，铅酸是更实惠的选择。

常见问题

锂离子电池和锂一样吗？

不，Li-ion battery和锂电池不一样！ 锂电池是原电池，这意味着它们不可充电。 所以，一旦你使用它们，它们就完成了。 另一方面，锂离子电池是二次电池，这意味着它们可以充电并一次又一次地使用。 另外，锂离子电池比锂电池更贵，制造时间也更长。 因此，如果您正在寻找可以充电的电池，那么锂离子电池就是您的不二之选。 但如果你想要更便宜、更耐用的东西，锂是你最好的选择。

锂电池需要专用充电器吗？

不，您不需要锂电池专用充电器！ 使用 iTechworld 锂电池，您无需升级整个充电系统和花费额外的现金。 您只需要现有的铅酸充电器就可以了。 我们的锂电池具有特殊的电池管理系统 (BMS)，可确保您的电池使用现有充电器正确充电。
我们唯一不推荐使用的充电器是专为钙电池设计的。 这是因为电压输入通常高于锂深循环电池的推荐电压。 但请放心，如果您不小心使用了钙质充电器，BMS 会检测到高压并进入安全模式，保护您的电池免受任何损坏。 因此，不要倾家荡产购买专用充电器 - 只需使用您现有的充电器即可！

锂离子电池的寿命有多长？

锂离子电池为您的日常小工具提供动力。 但它们能持续多久？ 那么，平均锂离子电池应该持续 300 到 500 次充电/放电循环。 这相当于一年多每天给手机充电一次！ 另外，您不必像以前那样担心内存问题。 只需让您的电池充满电并保持凉爽，您就可以开始使用了。 因此，如果您妥善保管它，您的锂离子电池应该可以使用很长时间。

锂离子电池的主要缺点是什么？

锂离子电池的主要缺点是它们的成本。 它们比 Ni-Cd 贵 40% 左右，所以如果您的预算有限，您可能想看看其他地方。 此外，它们容易老化，这意味着它们可能会在几年后失去容量并发生故障。 没有人有时间做那个！ 因此，如果您要投资锂离子电池，请确保您进行了研究并获得了最大的收益。

结论

总之，锂离子电池是一项革命性技术，可为我们的日常设备（从手机到电动汽车）提供动力。 有了正确的知识，就可以安全高效地使用这些电池，所以不要害怕冒险探索锂离子电池的世界！

大家好，我是 Kim，一位母亲和定格动画爱好者，具有媒体创作和网络开发背景。 我对绘画和动画有着极大的热情，现在我正一头扎进定格动画世界。 通过我的博客，我与大家分享我的经验教训。