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什么是「锂电池」?它的工作原理是什么?

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很多人写答案都跑题, 都关注到电极材料上了,这样范围太窄了。锂电池是一个电池类型,不是某种电极材料的电池才是锂电池。下面粘一个搜狗科学百科的《锂电池》词条。

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锂电池是以锂金属或锂合金为负极材料,使用非水电解质溶液的电池,因此这种电池也被称为锂金属电池。与其他电池不同,锂电池具有高充电密度、长寿命和高单位成本等特点。根据结构设计与电极材料不同,锂电池可以产生1.5 V(相当于锌-碳或碱性电池)到3.7 V的电压。

CR2450型锂电池

1.简介

锂电池是以金属锂为负极的电池,也被称为锂金属电池。值得注意的是,根据电池构型的不同,锂电池分为一次电池与二次电池。早期锂电池为一次电池,但是由于金属锂的化学特性非常活泼,使得其加工、保存、使用,对环境要求非常高。所以,锂电池在发明之后并没有得到广泛应用。随着二十世纪末微电子技术的发展,小型化的设备日益增多,对电源提出了更高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。目前消费者最常见的锂电池结构是使用金属锂作为负极,二氧化锰作为正极,锂盐溶解在有机溶剂中作为电解液

松下CR2032电池正反面

2.锂电池与锂离子电池历史

锂是密度最低、电化学电位和能量重量比最大的金属。低原子量和小尺寸的离子也加速了锂的扩散,表明它是制造电池的理想材料。1912年,在G.N. Lewis的领导下,开始了对锂电池的试验,但是商用锂电池直到20世纪70年代才进入市场。

1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。

1975年,三洋公司开发了Li/MnO2电池,随后锂二次电池开始量产。

在充放电过程中,作为负极的金属锂容易产生枝晶造成电池短路,引起爆炸等安全性问题,使人们不得不放弃了直接使用金属锂作为负极的锂电池,转而研发嵌锂化合物作为负极的锂离子电池。

自燃后的电动汽车
使用锂离子电池的电动汽车电池爆炸后

关于锂电池的三个重要发展出现在20世纪80年代。

1980年,Armand提出以可嵌入式材料替代金属锂作为电池负极材料,体系中锂离子可往返嵌入脱出,这种概念的电池被形象地称为“摇椅电池”。“摇椅电池”创造性的设计,避免了锂金属作为电池负极形成锂枝晶所引发的安全问题。

2019年诺贝尔化学奖得主Dr. Goodenough

1980年,美国化学家John B. Goodenough发现了正极LiCoO2,摩洛哥科学家Rachid Yazami发现了石墨负极和固体电解质

1981年,日本化学家Tokio Yamabe和Shizukuni Yata发现了一种新型的nano-carbonacious-PAS,发现它在传统的液体电解质中是一种非常有效的负极。

1983年,M. Thackeray、J. Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

1985年,由日本朝日化学公司的Akira Yoshino领导的一个研究小组建立了第一个锂离子电池原型,这是一个可充电的、更稳定的锂电池版本。

Sony目前生产的26650锂离子电池

1991年,索尼公司将锂离子电池商业化。

1996年,Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸锂铁,比传统的正极材料更具优越性,因此已成为当前主流的正极材料。

软包锂离子电池

1997年,索尼和Asahi Kasei推出了锂聚合物电池。这些电池将电解液保存在固体聚合物中,而不使用液体溶剂,并且电极和隔膜相互层叠。这种电池的不同之处在于,电池可以用一种灵活的包装材料包裹起来,而不是用坚硬的金属外壳包裹,这就意味着这种电池可以根据特定的设备进行特别设计。因为这种电池的设计更灵活、更紧凑,使聚合物锂电池在设计便携式电子设备和无线电控制飞机时更受青睐。

2019年诺贝尔化学奖得主

2019年,John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino因为他们对锂离子电池的研究而获得了诺贝尔化学奖。

3.种类

一次锂电池(即抛弃式电池)种类(负极均为金属锂)

4.应用领域

锂电池在许多长寿命的关键设备中得到应用,比如起搏器和其他可植入的电子医疗设备。这些设备使用特殊的锂碘电池,设计使用寿命为15年或更长。但对于其他不那么重要的应用,比如玩具,锂电池的寿命可能会比设备长。在这种情况下,昂贵的锂电池可能并不划算。

某品牌主板,可见上方有一颗锂电池

锂电池可以在许多设备中代替普通的碱性电池,如时钟和相机。尽管锂电池更昂贵,但它可以提供更长的使用寿命,从而最大限度地减少电池更换。值得注意的是,如果将使用普通锌电池的设备更换为锂电池,必须注意锂电池产生的高电压

锂电池在需要长时间使用,且无法更换电池的仪器设备中也被广泛应用,如远洋科考仪器

小型锂电池通常用于小型便携式电子设备,如PDA、手表、摄像机、数码相机、温度计、计算器、电脑BIOS、通信设备和远程汽车锁。锂电池的大电流、高能量密度,并且比碱性电池维持更长时间高电压等特点,使得锂电池成为一个特别有吸引力的选择。

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