鋰離子電池知多少,關(guān)于鋰離子電池的這些事你知道嗎?
改變世界的鋰離子電池獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)是眾望所歸。鋰離子電池現(xiàn)在已經(jīng)深入到了生活中的方方面面,它讓電子設(shè)備更加輕量、續(xù)航更加持久,比如你現(xiàn)在能用手機(jī)看到這篇文章就離不開(kāi)鋰離子電池。
說(shuō)到鋰離子電池,現(xiàn)在我們的生活已然離不開(kāi)它,相信大家對(duì)于它的原理、歷史之類的都比較熟悉了,今天咱們劍走偏鋒,來(lái)給大家聊一聊鋰離子電池鮮為人知的一面。
鋰電池?鋰離子電池?聚合物鋰電池?
可能有些朋友已經(jīng)注意到了,前面我們說(shuō)的一直都是“鋰離子電池”,但平時(shí)大家應(yīng)該有聽(tīng)到過(guò)鋰電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池等各種各樣的名詞,并且被這些名詞搞的七葷八素的。加下來(lái)咱們就來(lái)捋一捋。
其實(shí)鋰電池的概念很混亂,沒(méi)有一個(gè)很統(tǒng)一的說(shuō)法,姑且看一下國(guó)標(biāo)(其實(shí)是推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))里面是怎么說(shuō)的吧。《電工術(shù)語(yǔ)原電池和蓄電池》(GB/T 2900.41-2008)中把鋰電池定義為“含非水電解質(zhì),負(fù)極為鋰或含鋰的電池”,可以是原電池也可以是蓄電池。這個(gè)范圍就很寬泛,只要負(fù)極含鋰,電解質(zhì)是非水的就行。平時(shí)更多的是把負(fù)極是金屬鋰的一次電池叫做鋰電池,也叫鋰原電池,這類電池是不能充電的,代表性的有鋰-二氧化錳電池、鋰-氟化碳電池、鋰-亞硫酰氯電池。
"鋰離子電池則是為了與鋰電池相區(qū)別而發(fā)明出來(lái)的一個(gè)詞語(yǔ)。"前Sony高級(jí)執(zhí)行副總裁兼首席技術(shù)官西美緒(Yoshio Nishi)解釋說(shuō),負(fù)極的鋰碳化合物中的“鋰”是以離子的形式存在的,而正極的LiCoO2是離子化合物,鋰也是以離子形式存在的,電池中沒(méi)有金屬鋰的存在,因此叫做“鋰離子電池”,得了諾獎(jiǎng)的就是它。顯然,鋰離子電池是可充電電池。
滿電態(tài)的負(fù)極,金色的是LiC6,鋰并沒(méi)有以金屬單質(zhì)的形式存在,將鋰離子電池充好電后拆解,圖中是在手套箱中操作,千萬(wàn)別自己拆解充好電的鋰離子電池,LiC6在空氣中會(huì)自燃,也最好別自己更換手機(jī)電池,有可能操作不當(dāng)把電池劃破了,搞不好會(huì)起火爆炸。
所以當(dāng)你以后聽(tīng)到有人說(shuō)鋰電池得了諾獎(jiǎng),或者說(shuō)手機(jī)上用的是鋰電池的時(shí)候,你大可以禮貌而不失微笑地指出:那不是鋰電池,是鋰離子電池( lithium-ion batteries)。裝B之后飄然而去,深藏功與名!
至于鋰聚合物電池,其實(shí)就是鋰離子電池,也叫聚合物鋰離子電池。和傳統(tǒng)的鋰離子電池相比,不一樣的地方在于它的外殼是鋁塑膜,然后就沒(méi)啥大的差別了。換個(gè)殼就可以改個(gè)高大上的名字,真讓人頭疼。所謂鋁塑膜,就是兩層聚丙烯之間夾著一層鋁箔,鋁箔是用來(lái)防止空氣中的水透過(guò)聚丙烯進(jìn)入電池內(nèi)部的,用鋁塑膜做外殼的好處就是可以減輕電池的重量。
還有種“凝膠聚合物鋰離子電池”,它用的電解質(zhì)比較特殊,像一般的鋰離子電池用的電解液是液態(tài)的,而它用的是凝膠態(tài)的,emmm,從吃貨的角度來(lái)說(shuō),就和果凍一樣的。
鋰離子電池的容量與能量
現(xiàn)在的手機(jī)屏幕是越做越大,相應(yīng)的耗電量也增加了。所以,在不影響外觀的情況下,手機(jī)電池的容量也就成了一個(gè)很重要的選購(gòu)指標(biāo),畢竟誰(shuí)也不想用著手機(jī)的同時(shí)還拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的充電線吧。
我們知道一般鋰電池廠家衡量手機(jī)電池容量的單位是mAh,高中知識(shí)告訴我們,這是電量的單位,還需要乘上個(gè)電壓才是能量的單位。
電池容量計(jì)算方法:
電池能量計(jì)算方法:
等等,手機(jī)消耗的明明是能量,怎么用個(gè)電量的單位來(lái)衡量它?!這其實(shí)是因?yàn)樵谑謾C(jī)這類便攜式電子設(shè)備中,為了減小電池的體積,鋰離子電池的正極使用的都是鈷酸鋰,這種正極材料具有很高的壓實(shí)密度。正因?yàn)槭謾C(jī)電池的正極用的都是同一種材料,所以電池的電壓都比較接近(理論上是3.7V,這個(gè)具體和不同電池生產(chǎn)商的工藝有關(guān)),再加上手機(jī)里面往往只有一塊單體電池,只用容量其實(shí)就可以衡量電池儲(chǔ)存能量的大小。
但是電腦上的電池卻會(huì)同時(shí)標(biāo)注電池的容量(電量)和能量。這是因?yàn)?,電腦中不只有一塊單體電池啊,里面有很多塊電池串并聯(lián),形成了電池組,就不能用電池的容量來(lái)衡量了。高中知識(shí)告訴我們:同一型號(hào)的電池,電池并聯(lián)后,電池組的電壓不變,但會(huì)增加電池組的容量;電池串聯(lián),電池組的容量不變,但是會(huì)增加電池組的電壓。
電池串聯(lián) | 來(lái)源:batteryuniversity.com
所以,衡量電池的續(xù)航能力,還是看能量比較靠譜,自己動(dòng)手算一算。
鋰離子電池使用指北
曾經(jīng)聽(tīng)有人說(shuō)過(guò),剛買(mǎi)回來(lái)的手機(jī)前幾次使用的時(shí)候,要先充滿電,再把電量耗盡,反復(fù)幾次,說(shuō)是此法才能將電池激活,電池的壽命會(huì)更長(zhǎng)。
當(dāng)聽(tīng)到這個(gè)說(shuō)法的時(shí)候,我頓時(shí)就在風(fēng)中凌亂了。這哪是讓鋰離子電池電池長(zhǎng)壽,分明是讓鋰離子電池短命啊。如果把時(shí)間倒退個(gè)二十年,這個(gè)說(shuō)法是沒(méi)有很大問(wèn)題的。因?yàn)槟菚r(shí)使用的還是鎳氫電池,它有所謂的“記憶效應(yīng)”,就是電池放久了之后鎳極板上的晶體會(huì)變得粗大,影響和電解液的接觸,導(dǎo)致容量下降。進(jìn)行幾次完全的充放電能讓晶粒細(xì)化,讓容量部分恢復(fù),這就是所謂的“激活”。
鎳氫電池 | 來(lái)源:Wikipedia
而現(xiàn)在手機(jī)早已經(jīng)用上了鋰離子電池。前面已經(jīng)說(shuō)了,鋰離子電池是基于鋰離子在插層化合物中嵌入脫出,并不存在著什么“記憶效應(yīng)”。所以剛買(mǎi)來(lái)的手機(jī),直接使用用就行,并且可以隨用隨充,不需要特定某一階段充電。
又有人問(wèn),鋰離子電池的循環(huán)壽命只有500次左右,那么要怎樣才能讓鋰離子電池壽命延長(zhǎng)?
鋰離子電池的循環(huán)壽命一般是定義為:鋰離子電池進(jìn)行深度充放電時(shí),其容量能保持在80%以上的循環(huán)次數(shù)。從這兒可以看出兩個(gè)關(guān)鍵詞:深度充放電和80%。深度充放電容易破壞鋰離子電池中的微觀結(jié)構(gòu),使得容量降低。但是我們的手機(jī)有保護(hù)機(jī)制,是沒(méi)法對(duì)電池進(jìn)行深度充放電的,那得要用電池廠的專門(mén)設(shè)備才行;其次,鋰離子電池的容量在80%以下并不是說(shuō)它不能用,只是會(huì)讓用戶覺(jué)得電池不耐用了。
如果鋰離子電池在工廠測(cè)試時(shí)的壽命有500次,那么我們平時(shí)使用的壽命肯定是要大于500次的。因?yàn)槲覀兤綍r(shí)正常使用做不到對(duì)電池深度充放電,電池容量衰減沒(méi)那么厲害。至于如何讓鋰離子電池更長(zhǎng)壽,我們所能做的就是別對(duì)電池深度充放電,也就是要對(duì)鋰離子電池淺充淺放:沒(méi)充滿電就用,沒(méi)放完電就充。但這樣子做實(shí)在是影響玩手機(jī)的樂(lè)趣啊,所以有個(gè)更折衷的方案:手機(jī)充滿電后再使用,還剩20%的電的時(shí)候就充電,別等到手機(jī)自動(dòng)關(guān)機(jī)了才去充電。為啥是20%?不知道大家有沒(méi)有這樣的經(jīng)歷,在我們玩游戲正在團(tuán)戰(zhàn)的時(shí)候,突然跳出電量低于20%,遇到這種情況本人是十分崩潰的,那么遇到這種情況基本上玩家也就“死”了,還不趕緊去給手機(jī)充電。
手機(jī)電量恐懼癥
其實(shí)在大多數(shù)時(shí)候,我們使用手機(jī)的那些不良習(xí)慣工程師們?cè)缇涂紤]到了,大可不用自己瞎操心,正常使用就好。手機(jī)電池正常使用兩三年還是扛得住的,兩三年到了,手機(jī)其實(shí)也差不多該換了。
參考資料
[1] https://cen.acs.org/people/nobel-prize/Who-will-win-the-2019-Nobel-Prize-in-Chemistry/97/web/2019/10
[2] Nishi Y. The development of lithium ion secondary batteries[J]. Chemical Record, 2001, 1(1): 406-413.
[3] https://batteryuniversity.com/index.php/learn/archive/memory_myth_or_fact
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