高温锂电池的种类及工作原理

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高温锂电池的种类及工作原理

高温锂电池的种类及工作原理
目前大量使用的一次高温锂电池所采用的电化学体系为锂/亚硫酰氯和锂/硫酰氯(氯)两种。这是因为在目前所有电化学体系中,这两种体系的比能量为最高,使用温度范围为最广,贮存时间为最长,工作电压为最高。下面由北方滤器为大家讲解高温锂电池的种类及工作原理:
高温电池,一般可分为100℃,125℃,150℃,175℃,和200℃及其以上环境下使用五个级别。
低于等于100℃使用的电池,不需要特殊设计,一般市面上的电池经适当改进即可使用。
低于等于125℃使用的电池,只要在常规电池生产工艺基础上作适当调整和控制,就可生产出合格产品。
150℃和175℃使用的电池,则需要特殊设计。
180℃和200℃以上使用的电池,因为锂的熔点为180.5℃已不适于作负极,此种电池须采用锂合金为负极。由于国内的需求并不强烈,加之这种合金生产需安全保护措施投入较高,故尚未开展此项工作。
高温锂电池原理
从我们接触的国外样品来看,大部分电池属于150℃级。
石油井下用电池,关键在于如何满足井下高温环境的要求,确保电池安全可靠的工作。
为了满足高温的要求,应考虑以下几个因素:
⑴电池内容物的热力学特性
⑵电池壳体的力学性能
⑶适应于高温环境的安全设计(抗短路、抗反极、抗充电、抗冲击、抗振动等)
⑷适应于高温环境下的电性能设计(正负极活性物质比,电极厚度的选择,添加剂的选择等)
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常见电池的分类及特点
随着社会经济的发展,电池行业飞速的发展,电子产品也是越来越多,下面由电池之都为大家讲解常见电池的分类及特点:
1 一次电池:用完即丢,无法重复使用者。
碳锌电池、碱性电池、糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式电池(扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池)、锌空气电池、一次锂锰电池等、水银电池。
按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种,板式又按电解质液不同分C型(铵型)和P型(锌型)纸板电池两种。
2 二次电池:可充电重复使用
二次碱性锌锰电池、镍镉充电电池、镍氢充电电池、锂充电电池、铅酸电池、太阳能电池。铅酸蓄电池可分为:开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。
任何一种电池由四个基本部件组成,四个主要部件是两个不同材料的电极、电解质、隔膜和外壳。
3 绿色环保电池
指近年来已投入使用和正在研制的一类高性能、无污染电池,包括目前已投入使用的金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池,正在推广使用的无汞碱性锌锰原电池,及燃料电池、太阳能电池(光伏电池)等。
4 铅酸蓄电池
1859年法国普兰特(Plante)发现,由正极板、负极板、电解液、隔板、容器(电池槽)等5个基本部分组成。用二氧化铅作正极活性物质,铅作负极活性物质,硫酸作电解液,微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。
5 镉镍电池和金属氢化物电池
二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极,以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液,金属镉或金属氢化物作负极。金属氢化物电池为20世纪80年代末,利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成,是小型二次电池主导产品。
6 锂离子电池
指以金属锂或锂的化合物作活性物质的电池通称锂电池,分为一次锂电池和二次锂电池。
能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极,锂的化合物作正极,混合电解液作电解质液制成的电池。
锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成,负极则是特殊分子结构的碳。常见的正极材料主要成分为 LiCoO2 ,充电时,加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子,嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时,锂离子则从片层结构的碳中析出,重新和正极的化合物结合。通过锂离子的移动来产生了电流。
化学反应原理虽然很简单,然而在实际的工业生产中,需要考虑的实际问题很多:正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性,负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子;填充在正负极之间的电解液,除了保持稳定,还需要具有良好导电性,以减小电池内阻。
虽然锂电池几乎没有记忆效应,但是,锂电池在多次充放后容量仍然会下降,其主要原因是正负极材料本身的变化。从分子层面来看,正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞;从化学角度来看,是正负极材料活性钝化,出现副反应生成稳定的其他化合物。物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况,总之最终降低了电池中可以自由在充放电过程中移动的锂离子数目。
过度充电和过度放电,将对锂电池的正负极造成永久的损坏,从分子层面看,可以直观的理解,过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。这也是锂电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。
7 燃料电池
指一种利用燃料(如氢气或含氢燃料)和氧化剂(如纯氧或空气中的氧)直接连接发电的装置。它具有效率高、电化学反应转换效率可达40%以上,且无污染气体排出的特点。
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影响低温锂电池性能的因素有哪些
随着锂电池在电动汽车及军工领域应用的迅速发展,其低温性能不能适应特殊低温天气或极端环境的缺点也愈发明显。低温条件下,锂电池的有效放电容量和有效放电能量都会有明显的下降,同时其在低于-10℃的环境下几乎不可充电,这严重制约着锂离子电池的应用。下面由电池之都为大家讲解影响低温锂电池性能的因素有哪些:
锂电池低温性能影响因素
锂电池主要由正极材料、负极材料、隔膜、电解液组成。处于低温环境的锂离子电池存在着放电电压平台下降、放电容量低、容量衰减快、倍率性能差等特点。制约锂离子电池低温性能的因素主要有以下几点:
正极结构
正极材料的三维结构制约着锂离子的扩散速率,低温下影响尤其明显。锂离子电池的正极材料包括商品化的磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、锰酸锂、钴酸锂等,也包括处于开发阶段的高电压正极材料如镍锰酸锂、磷酸铁锰锂、磷酸钒锂等。不同正极材料具有不同的三维结构,目前用作电动汽车动力电池的正极材料主要是磷酸铁锂、镍钴锰三元材料和锰酸锂。吴文迪等研究了磷酸亚铁锂电池与镍钴锰三元电池在-20℃的放电性能,发现磷酸铁锂电池在-20℃的放电容量只能达到常温容量的67.38%,而镍钴锰三元电池能够达到70.1%。杜晓莉等发现锰酸锂电池在-20℃的放电容量可以达到常温容量的83%。
高熔点溶剂
由于电解液混合溶剂中存在高熔点溶剂,锂离子电池电解液在低温环境下黏度增大,当温度过低时会发生电解液凝固现象,导致锂离子在电解液中传输速率降低。
锂离子扩散速率
低温环境下锂离子在石墨负极中的扩散速率降低。向宇系统研究了石墨负极对锂离子电池低温放电性能的影响,提出低温环境下锂离子电池的电荷迁移阻抗增大,导致锂离子在石墨负极中的扩散速率降低是影响锂离子电池低温性能的重要原因。
SEI膜
低温环境下,锂电池负极的SEI膜增厚,SEI膜阻抗增大导致锂离子在SEI膜中的传导速率降低,最终锂离子电池在低温环境下充放电形成极化降低充放电效率。
目前多因素影响着锂离子电池的低温性能,如正极的结构、锂离子在电池各部分的迁移速率、SEI膜的厚度及化学成分以及电解液中锂盐和溶剂的选择等。低温性能限制了锂离子电池在电动汽车领域、军工领域及极端环境中的应用,开发低温性能优异的锂离子电池是市场的迫切需求。
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