鋰離子電池
鋰離子電池是含有鋰離子的可充電電池。 它們被用於從手機到汽車的一切事物中。 但它們是如何工作的？
鋰離子電池使用嵌入過程來儲存能量。 這個過程涉及鋰離子在電池內部的陰極和陽極之間移動。 什麼時候 充電，離子從陽極移動到陰極，放電時，它們向相反的方向移動。
但這只是一個簡短的概述。 讓我們更詳細地看一下一切。
在這篇文章中，我們將介紹：
什麼是鋰離子電池？
如今，鋰離子電池無處不在！ 他們為我們的手機供電， 筆記本電腦、電動汽車等。 但它們到底是什麼？ 讓我們仔細看看！
基本款式
鋰離子電池由一個或多個電芯、保護電路板和一些其他組件組成：
- 電極：電池的帶正電和負電的末端。 附在集電器上。
- 陽極：負電極。
- 電解質：導電的液體或凝膠。
- 集電器：連接到電池端子的電池每個電極上的導電箔。 這些端子在電池、設備和為電池供電的能源之間傳輸電流。
- 隔板：一種多孔聚合物薄膜，可分隔電極，同時使鋰離子能夠從一側交換到另一側。
如何操作
當您使用由鋰離子電池供電的設備時，鋰離子會在電池內部的陽極和陰極之間移動。 同時，電子在外電路中來回移動。 離子和電子的這種運動會產生為您的設備供電的電流。
當電池放電時，陽極將鋰離子釋放到陰極，產生有助於為設備供電的電子流。 當電池充電時，會發生相反的情況：鋰離子由陰極釋放並由陽極接收。
你在哪裡可以找到他們？
如今，鋰離子電池無處不在！ 您可以在手機、筆記本電腦、電動汽車等中找到它們。 所以下次您使用您最喜歡的設備時，請記住它是由鋰離子電池供電的！
鋰離子電池的迷人歷史
NASA 的早期嘗試
早在 60 年代，美國宇航局就已經在嘗試製造可充電鋰離子電池。 他們開發了一種 CuF2/Li 電池，但效果並不理想。
M. Stanley Whittingham 的突破
1974年，英國化學家M. Stanley Whittingham在使用二硫化鈦（TiS2）作為陰極材料時取得了突破。 它具有層狀結構，可以在不改變其晶體結構的情況下吸收鋰離子。 埃克森美孚試圖將這種電池商業化，但它過於昂貴和復雜。 此外，由於電池中存在金屬鋰，它很容易著火。
Godshall、Mizushima 和 Goodenough
1980 年，Ned A. Godshall 等人。 Koichi Mizushima 和 John B. Goodenough 用鈷酸鋰（LiCoO2，或 LCO）代替了 TiS2。 它具有類似的層狀結構，但電壓更高，在空氣中更穩定。
Rachid Yazami 的發明
同年，Rachid Yazami 展示了鋰在石墨中的可逆電化學嵌入，並發明了鋰石墨電極（陽極）。
可燃性問題
可燃性問題仍然存在，因此鋰金屬陽極被放棄了。 最終的解決方案是使用嵌入陽極，類似於用於陰極的陽極，它可以防止在電池充電過程中形成鋰金屬。
吉野的設計
1987 年，Akira Yoshino 獲得了專利，這將成為第一個使用“軟碳”（一種類似木炭的材料）陽極以及 Goodenough 的 LCO 陰極和碳酸酯基電解質的商用鋰離子電池。
索尼的商業化
1991 年，索尼開始生產和銷售世界上第一款採用吉野設計的可充電鋰離子電池。
諾貝爾獎
2012 年，John B. Goodenough、Rachid Yazami 和 Akira Yoshino 因開發鋰離子電池而獲得 2012 年 IEEE 環境與安全技術獎章。 然後，在 2019 年，Goodenough、Whittingham 和 Yoshino 因同一件事獲得了諾貝爾化學獎。
全球產能
2010年全球鋰離子電池產能為20吉瓦時。 到2016年，增長到28GWh，其中中國16.4GWh。 2020年全球產能767GWh，中國占比75%。 2021 年估計在 200 到 600 GWh 之間，2023 年的預測範圍在 400 到 1,100 GWh 之間。
18650 鋰離子電池背後的科學
什麼是 18650 電池？
如果您聽說過筆記本電腦電池或電動汽車，您很可能聽說過 18650 電池。 這種類型的鋰離子電池呈圓柱形，用途廣泛。
18650 電池內部有什麼？
18650 電池由多個組件組成，所有組件共同為您的設備供電：
- 負極通常由石墨製成，石墨是碳的一種形式。
- 正極通常由金屬氧化物製成。
- 電解質是有機溶劑中的鋰鹽。
- 隔板可防止陽極和陰極短路。
- 集電器是一塊金屬，將外部電子設備與陽極和陰極隔開。
18650 電池有什麼作用？
18650 電池負責為您的設備供電。 它通過在陽極和陰極之間產生化學反應來實現這一點，從而產生流經外部電路的電子。 電解質有助於促進這種反應，而集電器可確保電子不會短路。
18650電池的未來
對電池的需求不斷增加，因此研究人員一直在尋找提高 18650 電池能量密度、工作溫度、安全性、耐久性、充電時間和成本的方法。 這包括試驗新材料，如石墨烯，以及探索替代電極結構。
因此，下次您使用筆記本電腦或電動汽車時，請花點時間欣賞 18650 電池背後的科學原理！
鋰離子電池的類型
小圓柱
這些是最常見的鋰離子電池類型，在大多數電動自行車和電動汽車電池中都能找到。 它們有多種標準尺寸，機身堅固，沒有任何端子。
大圓柱
這些鋰離子電池比小型圓柱形電池大，並且具有大螺紋端子。
扁平或小袋
這些是您可以在手機和新型筆記本電腦中找到的柔軟扁平電池。 它們也被稱為鋰離子聚合物電池。
硬塑料外殼
這些電池帶有大螺紋端子，通常用於電動汽車牽引包。
果凍卷
圓柱形電池以特有的“瑞士卷”方式製成，在美國也稱為“果凍卷”。 這意味著它是一個由正極、隔膜、負極和隔膜捲成一個線軸的長“三明治”。 果凍卷的優點是生產速度比堆疊電極的電池快。
袋裝電池
軟包電池具有最高的重量能量密度，但它們需要外部密封裝置以防止在充電狀態 (SOC) 水平較高時膨脹。
流動電池
液流電池是一種相對新型的鋰離子電池，將陰極或陽極材料懸浮在水溶液或有機溶液中。
最小的鋰離子電池
2014 年，松下創造了最小的鋰離子電池。 它是針形的，直徑為 3.5 毫米，重量為 0.6 克。 它類似於普通鋰電池，通常以“LiR”為前綴指定。
電池組
電池組由多個連接的鋰離子電池組成，用於為電動汽車等大型設備供電。 它們包含溫度傳感器、穩壓器電路、電壓抽頭和充電狀態監視器，以最大限度地降低安全風險。
鋰離子電池有什麼用途？
消費類電子產品
鋰離子電池是您所有喜愛的小工具的首選電源。 從您可信賴的手機到筆記本電腦，數字 相機和電子香煙，這些電池讓您的技術保持運行。
電動工具
如果您是 DIY 愛好者，您就會知道鋰離子電池是最佳選擇。 無繩電鑽、砂光機、鋸子，甚至是剪刀和綠籬機等園藝設備都依賴於這些電池。
電動車
電動汽車、混合動力汽車、電動摩托車和踏板車、電動自行車、個人代步車和高級電動輪椅都使用鋰離子電池出行。 我們不要忘記無線電遙控模型、模型飛機，甚至火星好奇號探測器！
電信
鋰離子電池還用作電信應用中的備用電源。 此外，它們正在作為電網儲能的潛在選擇進行討論，儘管它們在成本上還不具備競爭力。
您需要了解的有關鋰離子電池性能的信息
能量密度
說到鋰離子電池，您看到的是非常高的能量密度！ 我們說的是 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) 和 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3)。 足以點亮一座小城！
電壓
鋰離子電池的開路電壓高於鉛酸、鎳氫和鎳鎘等其他類型的電池。
內部阻力
內阻隨著循環和老化而增加，但這取決於電池儲存的電壓和溫度。 這意味著端子處的電壓在負載下下降，從而減少了最大電流消耗。
充電時間
鋰離子電池需要兩個小時或更長時間才能充電的日子已經一去不復返了。 如今，您可以在 45 分鐘或更短時間內充滿電！ 2015 年，研究人員甚至展示了一塊 600 mAh 容量的電池可在兩分鐘內充電至 68% 的容量，以及一塊 3,000 mAh 電池可在五分鐘內充電至 48% 的容量。
降低成本
自 1991 年以來，鋰離子電池取得了長足的進步。價格下降了 97%，能量密度增加了兩倍多。 具有相同化學成分的不同大小的電池也可以具有不同的能量密度，因此您可以獲得更多的收益。
鋰離子電池壽命有何影響？
基本款式
對於鋰離子電池，壽命通常以達到特定閾值所需的完全充放電循環次數來衡量。 該閾值通常定義為容量損失或阻抗上升。 製造商通常使用術語“循環壽命”來描述電池的壽命，即達到其額定容量的 80% 所需的循環次數。
在充電狀態下儲存鋰離子電池也會降低其容量並增加電池電阻。 這主要是因為陽極上固體電解質界面的不斷生長。 電池的整個生命週期，包括循環和非活動存儲操作，稱為日曆壽命。
影響電池循環壽命的因素
電池的循環壽命受多種因素影響，例如：
- 溫度
- 放電電流
- 充電電流
- 充電狀態範圍（放電深度）
在智能手機、筆記本電腦和電動汽車等實際應用中，電池並不總是充滿電和完全放電。 這就是為什麼根據完全放電循環來定義電池壽命可能會產生誤導。 為避免這種混淆，研究人員有時會使用累積放電，即電池在其整個生命週期或等效的完整週期內提供的總電荷量 (Ah)。
電池退化
電池在其使用壽命期間會逐漸退化，導致容量降低，在某些情況下，還會降低電池的工作電壓。 這是由於電極發生了各種化學和機械變化。 退化與溫度密切相關，高電荷水平也會加速容量損失。
一些最常見的降解過程包括：
- 陽極有機碳酸鹽電解質的還原，導致固體電解質界面 (SEI) 的生長。 這導致歐姆阻抗增加和可循環 Ah 電荷減少。
- 鋰金屬電鍍，這也會導致鋰庫存（可循環Ah充電）和內部短路的損失。
- 由於溶解、開裂、剝落、分離甚至循環過程中有規律的體積變化而導致的（負極或正極）電活性材料的損失。 這表現為電荷和功率衰減（電阻增加）。
- 低電池電壓下負極銅集電器的腐蝕/溶解。
- PVDF 粘合劑的降解，這會導致電活性材料的分離。
因此，如果您正在尋找經久耐用的電池，請務必關注可能影響其循環壽命的所有因素！
鋰離子電池的危險
什麼是鋰離子電池？
鋰離子電池是我們現代世界的動力源。 從智能手機到電動汽車，無所不在。 但是，就像所有強大的東西一樣，它們也有一些風險。
有什麼風險？
鋰離子電池含有易燃電解液，如果損壞會加壓。 這意味著如果電池充電過快，可能會導致短路並導致爆炸和火災。
以下是鋰離子電池可能變得危險的一些方式：
- 熱濫用：冷卻不良或外部火災
- 電氣濫用：過度充電或外部短路
- 機械濫用：穿透或碰撞
- 內部短路：製造缺陷或老化
可以做些什麼？
鋰離子電池的測試標準比酸性電解質電池的測試標準更為嚴格。 安全監管機構也施加了運輸限制。
在某些情況下，公司不得不因電池相關問題召回產品，例如 7 年三星 Galaxy Note 2016 召回事件。
正在進行研究項目以開發不易燃的電解質以減少火災隱患。
如果鋰離子電池在沒有過充電保護的情況下損壞、壓碎或承受更高的電力負載，就會出現問題。 電池短路會導致電池過熱並可能著火。
底線
鋰離子電池功能強大，徹底改變了我們的世界，但也存在一些風險。 了解這些風險並採取措施降低風險非常重要。
鋰離子電池對環境的影響
什麼是鋰離子電池？
鋰離子電池是我們許多日常設備（從電話、筆記本電腦到電動汽車）的電源。 它們由鋰、鎳和鈷組成，以高能量密度和長壽命著稱。
什麼是環境影響？
鋰離子電池的生產會對環境產生嚴重影響，包括：
- 鋰、鎳和鈷的提取會對水生生物造成危害，導致水污染和呼吸系統問題。
- 採礦副產品會導致生態系統退化和景觀破壞。
- 乾旱地區不可持續的水資源消耗。
- 鋰提取過程中產生大量副產品。
- 鋰離子電池製造的全球變暖潛勢。
What Can We Do?
我們可以通過以下方式幫助減少鋰離子電池對環境的影響：
- 回收鋰離子電池以減少生產的碳足跡。
- 重複使用電池而不是回收電池。
- 安全存放用過的電池以降低風險。
- 使用火法冶金和濕法冶金方法分離電池的組件。
- 將回收過程中產生的礦渣精煉用於水泥工業。
鋰提取對人權的影響
對當地人的危害
提取鋰離子電池的原材料可能對當地居民，尤其是土著居民構成危險。 來自剛果民主共和國的鈷在開採時往往缺乏安全預防措施，導致傷亡事故。 這些礦山的污染使人們接觸到有毒化學物質，這些化學物質可能導致先天缺陷和呼吸困難。 還有報導稱，這些礦山使用童工。
缺乏自由事先和知情同意
阿根廷的一項研究發現，國家可能沒有保護土著人民獲得自由事先知情同意的權利，而且開採公司控制著社區對信息的訪問，並設定了項目討論和利益分享的條款。
抗議和訴訟
內華達州 Thacker Pass 鋰礦的開發遭到了幾個土著部落的抗議和訴訟，他們說他們沒有得到自由的事先知情同意，並且該項目威脅到文化和聖地。 人們還擔心該項目會給土著婦女帶來風險。 自 2021 年 XNUMX 月以來，抗議者一直在佔領該地點。
鋰提取對人權的影響
對當地人的危害
提取鋰離子電池的原材料對當地居民，尤其是土著居民來說是一件真正的麻煩事。 來自剛果民主共和國的鈷在開採時往往缺乏安全預防措施，導致傷亡事故。 這些礦山的污染使人們接觸到有毒化學物質，這些化學物質可能導致先天缺陷和呼吸困難。 還有報導稱，這些礦山使用童工。 哎呀！
缺乏自由事先和知情同意
阿根廷的一項研究發現，國家可能沒有給予土著人民自由事先知情同意的權利，而且開採公司控制著社區對信息的訪問，並設定了項目討論和利益分享的條款。 不酷。
抗議和訴訟
內華達州 Thacker Pass 鋰礦的開發遭到了幾個土著部落的抗議和訴訟，他們說他們沒有得到自由的事先知情同意，並且該項目威脅到文化和聖地。 人們還擔心該項目會給土著婦女帶來風險。 自 2021 年 XNUMX 月以來，抗議者一直在佔領該地點，而且他們似乎不打算很快離開。
差異
鋰離子電池與鋰聚合物
當談到鋰離子電池與鋰聚合物電池時，這是一場巨頭之戰。 鋰離子電池非常高效，可以將大量能量裝入一個微小的封裝中。 但是，如果正極和負極之間的屏障被破壞，它們可能會變得不穩定和危險。 另一方面，鋰聚合物電池更安全，因為它們不會遭受同樣的燃燒風險。 它們也不會受到鋰離子電池所具有的“記憶效應”的影響，這意味著它們可以充電多次而不會損失容量。 此外，它們的使用壽命比鋰離子電池更長，因此您不必擔心經常更換它們。 因此，如果您正在尋找安全、可靠且持久耐用的電池，鋰聚合物電池就是您的不二之選！
鋰離子電池與鉛酸電池
鉛酸電池比鋰離子電池便宜，但性能不如鋰電池。 鉛酸電池充滿電最多需要 10 小時，而鋰離子電池只需幾分鐘即可充滿電。 那是因為鋰離子電池可以接受更快的電流，比鉛酸電池充電更快。 因此，如果您正在尋找一種能夠快速高效充電的電池，那麼鋰離子電池就是您的不二之選。 但如果您的預算有限，鉛酸是更實惠的選擇。
常見問題
鋰離子電池和鋰一樣嗎？
不，Li-ion battery和鋰電池不一樣！ 鋰電池是原電池，這意味著它們不可充電。 所以，一旦你使用它們，它們就完成了。 另一方面，鋰離子電池是二次電池，這意味著它們可以充電並一次又一次地使用。 另外，鋰離子電池比鋰電池更貴，製造時間也更長。 因此，如果您正在尋找可以充電的電池，那麼鋰離子電池就是您的不二之選。 但如果你想要更便宜、更耐用的東西，鋰是你最好的選擇。
鋰電池需要專用充電器嗎？
不，您不需要鋰電池專用充電器！ 使用 iTechworld 鋰電池，您無需升級整個充電系統和花費額外的現金。 您只需要現有的鉛酸充電器就可以了。 我們的鋰電池具有特殊的電池管理系統 (BMS)，可確保您的電池使用現有充電器正確充電。
我們唯一不推薦使用的充電器是專為鈣電池設計的。 這是因為電壓輸入通常高於鋰深循環電池的推薦電壓。 但請放心，如果您不小心使用了鈣質充電器，BMS 會檢測到高壓並進入安全模式，保護您的電池免受任何損壞。 因此，不要傾家蕩產購買專用充電器 - 只需使用您現有的充電器即可！
鋰離子電池的壽命有多長？
鋰離子電池為您的日常小工具提供動力。 但它們能持續多久？ 那麼，平均鋰離子電池應該持續 300 到 500 次充電/放電循環。 這相當於一年多每天給手機充電一次！ 另外，您不必像以前那樣擔心內存問題。 只需讓您的電池充滿電並保持涼爽，您就可以開始使用了。 因此，如果您妥善保管它，您的鋰離子電池應該可以使用很長時間。
鋰離子電池的主要缺點是什麼？
鋰離子電池的主要缺點是它們的成本。 它們比 Ni-Cd 貴 40% 左右，所以如果您的預算有限，您可能想看看其他地方。 此外，它們容易老化，這意味著它們可能會在幾年後失去容量並發生故障。 沒有人有時間做那個！ 因此，如果您要投資鋰離子電池，請確保您進行了研究並獲得了最大的收益。
結論
總之，鋰離子電池是一項革命性技術，可為我們的日常設備（從手機到電動汽車）提供動力。 有了正確的知識，這些電池就可以安全高效地使用，所以不要害怕冒險探索鋰離子電池的世界！
大家好，我是 Kim，一位母親和定格動畫愛好者，具有媒體創作和網絡開發背景。 我對繪畫和動畫有著極大的熱情，現在我正一頭扎進定格動畫世界。 通過我的博客，我與大家分享我的經驗教訓。
