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鋰離子電池,你不知道的一些事

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年07月31日  

Goodenough老先生在陪跑了多年諾獎之后,終于在今年獲得了諾貝爾化學獎(然而諾貝爾文學獎村上春樹今年繼續陪跑,心疼他一秒)。關于鋰離子電池為什么可以得諾獎,可以看看諾貝爾化學獎評選委員會的官方解讀——他們研制出了世界上最強的電池(放心,已經貼心地翻譯成中文了)。


Goodenough老先生得諾獎的呼聲一直很大,今年美國化學會(ACS)邀請化學家們進行了一場網絡直播,預測今年的諾貝爾化學獎,鋰離子電池和CRISPR(ClusteredRegularlyInterspacedShortPalindromicRepeat)得票最高[1](所以小編在此奶一口CRISPR,沒準明年就得獎了呢)。


鋰離子電池得諾獎確實是眾望所歸。鋰離子電池現在已經深入到了生活中的方方面面,它讓電子設備更加輕量、續航更加持久,比如你現在能用手機刷這篇文章就離不開鋰離子電池。


我們現在的生活已經離不開鋰離子電池,大家對它的原理、歷史之類的都比較熟悉了,那么小編今天就劍走偏鋒,來給大家聊一聊鋰離子電池少為人知的一面。


鋰電池?鋰離子電池!


可能有小可愛已經注意到了,小編說的一直都是“鋰離子電池”,但平時大家可能有聽到過鋰電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池等各種各樣的名詞,被這些名詞搞的七葷八素的。小編下面就來給大家捋一捋。


鋰電池的概念其實很混亂,沒有一個很統一的說法,姑且看一下國標(其實是推薦性國家標準)里面是怎么說的吧。《電工術語原電池和蓄電池》(GB/T2900.41-2008)中把鋰電池定義為“含非水電解質,負極為鋰或含鋰的電池”,可以是原電池也可以是蓄電池。這個范圍就很寬泛了,只要負極含鋰,電解質是非水的就行。平時更多的是把負極是金屬鋰的一次電池叫做鋰電池,也叫鋰原電池,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別而發明出來的一個詞語。前Sony高級執行副總裁兼首席技術官西美緒(YoshioNishi)解釋說[2],負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,電池中沒有金屬鋰的存在,因此叫做“鋰離子電池”,得了諾獎的就是它。顯然,鋰離子電池是可充電電池。


西美緒(對鋰離子電池的產業化做出了很大貢獻)


滿電態的負極,金色的是LiC6,鋰并沒有以金屬單質的形式存在(將鋰離子電池充好電后拆解,圖中是在手套箱中操作,千萬別自己拆解充好電的鋰離子電池,LiC6在空氣中會自燃,也最好別自己更換手機電池,有可能操作不當把電池劃破了,搞不好會起火爆炸)


說到鋰離子電池,還有個人也不得不提一下,那就是法國科學家米歇爾·阿曼德(MichelArmand),他在1972年提出了插層化合物和“搖椅電池(rockingchairbatteries)”的概念,正負極采用插層化合物,將鋰離子在正負極之間的穿梭形象地比作搖椅的搖動。


當你以后聽到有人說鋰電池得了諾獎,或者說手機上用的是鋰電池的時候,就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-ionbatteries)。裝B之后飄然而去,深藏功與名。


至于鋰聚合物電池,其實就是鋰離子電池,也叫聚合物鋰離子電池。和傳統的鋰離子電池相比,不一樣的地方在于它的外殼是鋁塑膜,然后就沒啥大的差別了。換個殼就可以改個高大上的名字,真讓人頭冷。所謂鋁塑膜,就是兩層聚丙烯之間夾著一層鋁箔,鋁箔是用來防止空氣中的水透過聚丙烯進入電池內部的,用鋁塑膜做外殼的好處就是可以減輕電池的重量。


聚合物鋰離子電池(也叫軟包電池),外殼就是鋁塑膜


還有種“凝膠聚合物鋰離子電池”,它用的電解質比較特殊,像一般的鋰離子電池用的電解液是液態的,而它用的是凝膠態的,就像果凍一樣。


鋰離子電池的容量與能量


現在的手機屏幕越來越大,相應的耗電量也增加了。所以,手機電池的容量也就成了一個很重要的選購指標,畢竟誰也不想用著手機的同時還拖著長長的充電線吧。


現在衡量手機電池容量的單位是mAh,高中知識告訴我們,這是電量的單位,還需要乘上個電壓才是能量的單位。


電池容量計算方法:


電池能量計算方法:


等等,手機消耗的明明是能量,怎么用個電量的單位來衡量它?!這其實是因為在手機這類便攜式電子設備中,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密度。正因為手機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,這個具體和不同電池生產商的工藝有關),再加上手機里面往往只有一塊單體電池(請忽視最近某手機廠出的某款手機,里面有兩塊2000mAh的電池),只用容量其實就可以衡量電池儲存能量的大小。


但是電腦上的電池卻會同時標注電池的容量(電量)和能量。這是因為,電腦中不只有一塊單體電池啊,里面有很多塊電池串并聯,形成了電池組,就不能用電池的容量來衡量了。高中知識告訴我們:同一型號的電池,電池并聯后,電池組的電壓不變,但會增加電池組的容量;電池串聯,電池組的容量不變,但是會增加電池組的電壓。


現在就以小編手頭上的這臺筆記本電腦為例,它的規格參數上寫著“57.4Wh/7565mAh@7.6V(典型容量)”,這就說明,這是由四塊容量為3782.5mAh,電壓為3.8V鋰離子電池串聯形成的電池組,7565mAh×7.6V=57.494Wh。那么為什么不是由兩塊7565mAh的電池串聯呢?嘿嘿,7565mAh的電池容量太大了,對生產的要求比較高;其次3782.5mAh的電池其實就是手機上用的電池,對工廠來說,只要一條生產線就可以同時生產手機、電腦用的電池,這樣可以減少成本。


然后小編去看了另一臺筆記本電腦的電池規格參數,見下圖。


乍一看,這塊電池的容量就比手機電池大一點,怎么能給筆記本電腦用?但是看一下它的電壓就恍然大悟。這是由6塊容量為2200mAh,電壓為3.6V的電池串聯而成的,也就是傳說中的6芯鋰離子電池(里面有6個單體電池)。從這根電池的形狀(長長的)和2200mAh的容量可以看出,這是18650電池(就是電池直徑為18mm,高度為65mm的圓柱電池)。


所以,衡量電池的續航能力,還是看能量比較靠譜,自己動手算一算。


鋰離子電池使用指北


小編曾經聽有人說過,剛買回來的手機前幾次使用的時候,要先充滿電,再把電量耗盡,反復幾次,這樣才能將電池激活,電池的壽命會更長。


當聽到這個說法的時候,小編我頓時就在風中凌亂了。這哪是讓鋰離子電池電池長壽,分明是讓鋰離子電池短命啊。如果把時間倒退個二十年,這個說法是沒有很大問題的。因為那是使用的還是鎳氫電池,它有所謂的“記憶效應”,就是電池放久了之后鎳極板上的晶體會變得粗大,影響和電解液的接觸,導致容量下降[3]。進行幾次完全的充放電能讓晶粒細化,讓容量部分恢復,這就是所謂的“激活”。


而現在手機早已經用上了鋰離子電池。前面已經說了,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”。所以剛買來的手機,直接用就行。


又有人問,鋰離子電池的循環壽命只有500次左右,那么要怎樣才能讓鋰離子電池壽命延長?


鋰離子電池的循環壽命一般是定義為:鋰離子電池進行深度充放電時,其容量能保持在80%以上的循環次數。從這兒可以看出兩個關鍵詞: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構,使得容量降低。但是我們的手機有保護機制,是沒法對電池進行深度充放電的,那得要用電池廠的專門設備才行;其次,鋰離子電池的容量在80%以下并不是說它不能用,只是會讓用戶覺得電池不耐用了。


如果鋰離子電池在工廠測試時的壽命有500次,那么我們平時使用的壽命肯定是要大于500次的。因為我們平時正常使用做不到對電池深度充放電,電池容量衰減沒那么厲害。至于如何讓鋰離子電池更長壽,我們所能做的就是別對電池深度充放電(當然更要避免過度充電,過度放電),也就是要對鋰離子電池淺充淺放:沒充滿電就用,沒放完電就充。但這樣子做實在是影響玩手機的樂趣啊,所以有個更折衷的方案:手機充滿電后再使用,還剩20%的電的時候就充電,別等到手機自動關機了才去充電。為啥是20%?因為小編的手機在20%電量時會進入省電模式,小編有強迫癥,這時會迫不及待給手機充電。


手機電量恐懼癥


其實我們那些不良使用習慣工程師早就考慮到了,不用自己瞎操心(真·我比工程師聰明系列),手機電池正常使用兩三年還是扛得住的,兩三年到了,手機其實也差不多該換了。


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