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鋰電池
鋰電池 ( lithium battery ) 是一種以鋰金屬或鋰合金為負極材料,使用非水電解質溶液的一次電池,與可充電鋰離子電池是不一樣的。鋰電池的發明者是愛迪生。由於鋰金屬的化學特性非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環境要求非常高。所以,鋰電池長期沒有得到應用。隨著二十世紀末微電子技術的發展,小型化的設備日益增多,對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進入了大規模的實用階段。 最早得以應用於心臟起搏器中。鋰電池的自放電率極低,放電電壓平緩。使得植入人體的起搏器能夠長期運作而不用重新充電。鋰電池一般有高於3.0伏的標準電壓,更適合作積體電路電源。鋰二氧化錳電池,就廣泛用於計算機、計算器、數位相機、手錶中。 為了開發出性能更優異的類型,人們對各種材料進行了研究。從而製造出前所未有的產品。比如,鋰二氧化硫電池和鋰亞硫醯氯電池就非常有特點。它們的正極活性物質同時也是電解液的溶劑。這種結構只有在非水溶液的電化學體系才會出現。所以,鋰電池的研究,也促進了非水體系電化學理論的發展。除了使用各種非水溶劑外,人們還進行了聚合物薄膜電池的研究。 1992年Sony成功開發鋰離子電池。它的實用化,使人們的行動電話、筆記型電腦等攜帶式電子設備重量和體積大大減小,使用時間大大延長。由於鋰離子電池中不含有重金屬鎘,與鎳鎘電池相比,大大減少了對環境的污染。 應用領域 鋰鐵電池在通信後備電源應用舉例:伴隨鋰電池價格的下降,鋰電相較鉛酸電池的整體擁有成本正逐步加強. 且該趨勢有望延續,再考慮鋰電因壽命長(最高長達10年Vs鉛酸3-4年)帶來替換成本的減少、因對高溫相對的耐受度強帶來的電費節省,其綜合運營成本經濟性越發顯著。 鋰離子電池
鋰離子電池是一種充電電池,它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。鋰離子電池容易與下面兩種電池概念混淆: 鋰電池 (Lithium battery):雖然常常被用作為鋰離子電池的簡稱,但嚴格意義的鋰電池是鋰原電池,內含純態的鋰金屬,為一次性使用、不可充電。 鋰離子聚合物電池(Lithium-ion polymer batteries,也常稱為「鋰聚合物電池」):一種用膠態或固態聚合物取代液態有機溶劑的可充電鋰離子電池,其安全性較好。 現在常提到的鋰離子電池其實是鈷酸鋰電池,廣義的可充放鋰離子電池是指由一個石墨負極,一個採用鈷、錳或磷酸鐵的正極,以及一種用於運送鋰離子的電解液所構成。而一次鋰離子電池則可以鋰金屬或者嵌鋰材料作為負極。鋰離子電池產業發展20多年來一直集中在3C產業為主,較少應用在市場經濟規模更大的儲能和動力電池(瞬間需要較大電流)市場,該市場涵蓋純電動車、油電混合車、中大型UPS、太陽能、大型儲能電池、電動手工具、電動摩托車、電動自行車、航空太空設備與飛機用電池等領域。 主要原因之一是過去鋰電池採用的鈷酸鋰正極材料(LiCoO2,就是現在最常見的鋰離子電池)成本較高,並且難以應用在耐受穿刺、衝撞和高溫、低溫等條件等特殊環境。更重要的是,因無法滿足人們對安全的絕對要求而飽受詬病。 同時,鈷酸鋰電池也無法達到快速充電與完全避免二次污染等目的,而且,一定要設計保護電路以防止過度充電或過度放電,否則就會造成爆炸等危險,甚至出現如Sony電池爆炸導致全球品牌NB業者投下鉅資回收的情況。 另外,鈷的價格愈來愈高昂,全球鈷礦最大生產國剛果,戰亂紛擾多,導致鈷礦價格不斷升高。鈷酸鋰電池的粉體因鈷礦價格不斷上漲,現在已從原先的每公斤40美元漲價到60~70美元。磷酸鋰鐵粉體依品質好壞,每公斤售價在30~60美元。 這20年來,各國產學界早已投入無數的研發人力與資源,不斷尋找能夠取代或解決LiCoO2問題的新材料,因為,據統計,全球動力與儲能電池市場的經濟規模總量每年高達500億美元,遠大於鈷酸鋰電池每年55~60億美元的胃納量。從2006年7月至今,包括投入能源儲存設備的Deeya Energy,發展薄膜鋰電池的Infinite Power Solution,看好新世代鋰離子電池─磷酸鋰鐵電池產業(LFP,Lithium Ferrous Phosphate)的美國A123 Systems、台灣Aleees和加拿大Phostech Lithium等業者,快速從全球創投和其他資金來源募來超過3億美元的資金。 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:因電極材料不同而不同,可達3.3~4.2V。 輸出功率大:因電極材料不同而不同,可達300~1500W/kg(@20秒)。 無記憶效應:磷酸鐵鋰鋰離子電池無記憶效應,電池在未放空電的情況下可隨時充放電,使用維護簡便。 低自放電:<5%~10%/月。智慧型鋰離子電池由於有內建的監測電路,這個監測電路的工作電流甚至高於自放電電流。 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、軍用產品、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體現。用鈦酸鋰取代石墨,似乎可以延長壽命。儲存溫度與容量永久損失速度的關係如下: 充電電量 儲存溫度0℃ 儲存溫度25℃ 儲存溫度40℃ 儲存溫度60℃ 40%~60% 2%/年 4%/年 15%/年 25%/年 100% 6%/年 20%/年 35%/年 80%/6月 回收率:大約有1%的出廠新品因種種原因需要回收。 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(電壓小於3.0V時放電),電極脫嵌過多鋰離子,可導致晶格坍塌,從而縮短壽命。 需要多重保護機制: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。 種類
正極材料的選擇決定了電池的容量、安全性和老化特性。其中鈷特別提供了極佳的容量和老化特性,但與其他的材料相比,鈷的安全性就差了些。 「LiNiO2」(鎳鋰電池)、 「LiNi0.8Co0.2O2」(鎳鈷鋰電池)、 「LiMn2O4」(錳鋰電池)、 「LiNi0.3Co0.3Mn0.3O2」(三元電池) 磷酸鋰鐵電池(LFP) 鎳鈷鋰電池 鎳鈷鋰電池是鎳鋰電池和鈷鋰電池的固溶體(綜合體),兼具鎳鋰和鈷鋰的優點,一度被產業界認為是最有可能取代鈷鋰電池的新正極材料,但安全性還無法有更大突破。 因此,全球相關業者的主要發展集中在基於錳或磷酸鐵的正極以提昇其安全性,但提高安全性的代價是電池容量略有下降,且使電池的老化速度加快。 鎳鋰電池 鋰鎳電池的成本較低且電容量較高,不過,製作過程困難且材料性能的一致性和再現性差,最嚴重的是依然有安全性問題。 磷酸鋰鐵電池 磷酸鋰鐵電池則同時擁有鈷鋰、鎳鋰和錳鋰的主要優點,但不含鈷等貴重元素,原料價格低且磷、鋰、鐵存在於地球的資源含量豐富,不會有供料問題,而且,工作電壓適中(3.2V)、電容量大(170mAh/g)、高放電功率、可快速充電且循環壽命長,在高溫與高熱環境下的穩定性高,是目前產業界認為較符合環保、安全和高性能要求的鋰離子電池。 不過,磷酸鋰鐵(LFP)電池壓實密度相對較低、低溫性能欠佳,並且正極材料存在專利爭議。目前主要的3種技術和化合物分別由全球3家業者掌握,包括源自美國德州大學的LiFePO4,以及另外兩種Nanophosphate 和Nano Cocystalline Olivine (NCO)。 充電過程 單一枚鋰離子電池的充電過程分兩階段: 1.CC (constant current) 恆定電流充電:先以恆定電流充電,這樣會使電池電壓漸漸上升,直至電壓到達一特定數值。此特定數值的電壓視電池物料而定。 2.CV (constant voltage) 定電壓充電:以固定電壓向電池充電,這樣充電電流會漸漸減小,直到電流小於某一程度後充電過程即完成。 多枚串聯鋰離子電池的充電方法較為複雜,分3個階段: 1.CC (constant current) 恆定電流充電 2.電量衡充 (blance charging);減小個別電池的充電量,直至各電池的充電程度(電量狀態) (SOC- state of charge)都衡等。 3.CV (constant voltage) 定電壓充電 電化學 和所有化學電池一樣,鋰離子電池也由三個部分組成:正極、負極和電解質。習慣上,鋰離子進入正極材料的 原理 鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物(鋰離子/鋰聚合物電池)、或凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發現能夠在室溫條件下有效運送鋰離子的聚合物,所以大多數的「塑膠封袋」鋰離子/ 鋰聚合物電池事實上都是結合凝膠體和聚合物的混合型電池。 正極或負極必須具有類似海綿的物理結構,以釋放或接收鋰離子。在放電時,鋰離子從負極材料移出至電解液,再像水進入海綿一樣地進入正極材料,這個過程被稱為嵌入(Intercalation)。充電的過程則完全相反。 Lithium-Ion Battery
A lithium-ion battery (sometimes Li-ion battery or LIB) is a member of a family of rechargeable battery types in which lithium ions move from the negative electrode to the positive electrode during discharge and back when charging. Li-ion batteries use an intercalated lithium compound as one electrode material, compared to the metallic lithium used in a non-rechargeable lithium battery. The electrolyte which allows for ionic movement, and the two electrodes are the consistent components of a lithium-ion cell. Lithium-ion batteries are common in consumer electronics. They are one of the most popular types of rechargeable batteries for portable electronics, with a high energy density, no memory effect, and only a slow loss of charge when not in use. Beyond consumer electronics, LIBs are also growing in popularity for military, electric vehicle and aerospace applications. For example, lithium-ion batteries are becoming a common replacement for the lead acid batteries that have been used historically for golf carts and utility vehicles. Instead of heavy lead plates and acid electrolyte, the trend is to use lightweight lithium-ion battery packs that can provide the same voltage as lead-acid batteries, so no modification to the vehicle's drive system is required. Chemistry, performance, cost and safety characteristics vary across LIB types. Handheld electronics mostly use LIBs based on lithium cobalt oxide (LiCoO 2), which offers high energy density, but presents safety risks, especially when damaged. Lithium iron phosphate (LFP), lithium manganese oxide (LMO) and lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) offer lower energy density, but longer lives and inherent safety. Such batteries are widely used for electric tools, medical equipment and other roles. NMC in particular is a leading contender for automotive applications. Lithium nickel cobalt aluminum oxide (NCA) and lithium titanate (LTO) are specialty designs aimed at particular niche roles. Lithium-ion batteries can be dangerous under some conditions and can pose a safety hazard since they contain, unlike other rechargeable batteries, a flammable electrolyte and are also kept pressurised. Because of this the testing standards for these batteries are more stringent than those for acid-electrolyte batteries, requiring both a broader range of test conditions and additional battery-specific tests. This is in response to reported accidents and failures, and there have been battery-related recalls by some companies. |