鋰離子電池之簡介

鋰離子電池之簡介 學生: 蔣昆璋指導教授:王聖璋副教授

目錄 • 何謂鋰離子電池 • 充電 • 陽極 • 陰極 • 優點與缺點 • 優點 • 缺點 • 保護機制 • 電解質溶液 • 正極材料 • 負極材料

鋰離子電池

何謂鋰離子電池 • 鋰離子電池是一種充電電池。 • 主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。 • 鋰離子進入正極材料的過程叫嵌入，離開的過程叫脫嵌；鋰離子進入負極材料的過程叫插入，離開的過程叫脫插。

鋰離子電池－充電 • 充電都是將電池裡面的化學物質跟電池裡面的極板作用，產生電荷，極板在將電荷吸收到極板上。 • 化學能→電能 • 放電也是如此，不過它是由電能轉化成化學能。

鋰離子電池－陽極 • 陽極 • 表示「發生氧化反應的電極」（或者失去電子的電極)，相當於中文的「正極」或「氧化極」。

鋰離子電池－陰極 • 陰極 • 表示「發生還原反應的電極」（或者獲得電子的電極），相當於中文的「負極」或「還原極」。

示意圖 負極正極 • 正極材料充電時：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe− • 負極材料充電時：xLi+ + xe− + 6C → LixC6

優點與缺點

優點 • 高能量密度：因電極材料不同而不同，按質量計算，可達150～200Wh/kg(540～720kJ/kg)；按體積計算，可達250～530Wh/L(0.9～1.9kJ/cm3)。 • 開路電壓高：可達3.3～4.2V。 • 輸出功率大：可達300～1500W/kg。

優點 • 低自放電：<5％～10％/月。 • 工作溫度範圍寬：可在-20℃～60℃之間正常工作。 • 充、放電速度快。 • 因此，鋰離子電池廣泛應用於消費電子產品、軍工產品、航空產品等。

缺點 • 衰老：與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會緩慢衰退，與使用次數無關，而與溫度有關。可能的機制是內阻逐漸升高，所以，在工作電流高的電子產品更容易出現。 • 回收率：大約有1％的出廠新品因種種原因需要回收。

缺點 • 不耐受過充：過充電時，過量嵌入的鋰離子會永久固定於晶格中，無法再釋放，可導致電池壽命縮短。 • 不耐受過放：過放電時，電極脫嵌過多鋰離子，可導致晶格坍塌，從而縮短壽命。

保護機制

保護機制 • 由於錯誤使用會減少壽命，甚至可能導致爆炸！ • 所以，鋰離子電池設計時增加了多種的保護機制。

保護機制 • 保護電路：防止過充、過放、過載、過熱。 • 排氣孔：避免電池內部壓強過大。 • 隔膜：有較高的抗穿刺強度，防止內部短路；在電池內部溫度過高時還能融化，阻止鋰離子通過，阻滯電池反應，升高內阻(至2kΩ)。 • 排氣孔、隔膜一旦激活，將使電池永久失效。

電解質溶液

電解質溶液 • 電解質溶液溶質：常採用鋰鹽。例如：高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。

電解質溶液 • 溶劑：由於電池的工作電壓遠高於水的分解電壓，因此鋰離子電池常採用有機溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。 • 有機溶劑常常在充電時破壞石墨的結構，導致其剝脫，並在其表面形成固體電解質膜(solid electrolyte interphase，SEI)導致電極鈍化。有機溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。

電解質溶液－正極材料 • 正極材料：可選的正極材料很多，目前主流產品多採用鋰鐵磷酸鹽。 • 正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。

電解質溶液－正極材料 • 為了獲得較高的單一電池電壓，得選擇電勢較高的嵌鋰化合物作為正極之材料。一般而言，正極材料應滿足： • a. 在所要求的充放電電位範圍內，具有與電解質溶液的電化學相容性 • b. 溫和的電極動力學 • c. 高度可逆性 • d. 全鋰化狀態下在空氣中的穩定性

電解質溶液－負極材料 • 負極材料：多採用石墨。新的研究發現鈦酸鹽可能是更好的材料。 • 負極反應：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。

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