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2009年,电池收益中大约38%都是锂离子电池贡献的。锂离子电池易于维护的特点也是许多其他化学电池无法匹敌的。锂离子电池无记忆效应,不需要完全充放电来保持性能,而且自放电率不足镍基电池的一半,这使得锂电池在燃油量表上得到良好应用。此外,锂离子电池具有3.60V的额定电压,通过电池组设计可以直接用作手机和数码相机的蓄电池,简化工艺并降低了成本。但是不足之处在于需要保护电路防止漏电,还需避免高昂的价格。
从材料角度看锂离子电池的分类
与铅基、镍基电池类似,锂离子使用正极(阴极),负极(阳极)和电解质作为导体。正极是金属氧化物,负极由多孔石墨构成。在放电过程中,锂离子通过电解质和隔膜从负极移动到正极;充电时,锂离子沿着相反的方向从正极流向负极,如图1所示。
图1 Li+在锂离子电池的脱嵌/嵌入
当电池充放电时,Li+在正极和负极之间穿梭。放电时,阳极发生氧化,失去电子,同时阴极还原,得到电子;充电时,电荷运动方向相反。
按电极材料来分,锂离子电池有许多种类型。但选择不同的材料,其电池性能也会有很大差异。
正极材料均含有 Li+。常见的有锂钴氧化物(钴酸锂),锂锰氧化物(也称为尖晶石或锰酸锂),磷酸铁锂、镍钴锰三元材料(NMC)[3]和锂镍钴铝氧化物(NCA)。所有这些材料都有理论比能量上限(锂离子有一个理论容量约2000kWh, 是商用锂离子电池比能量的10倍以上)。
索尼公司最初生产的锂离子电池采用焦炭(一种煤炭产品)作为负极材料。自1997年以来,包括索尼在内的大多数锂离子电池制造商,将负极材料转变为石墨,从而获得了平坦的放电曲线。石墨是碳的一种形式,多被用于铅笔中。在充电过程中,它能很好地储存锂离子,并且循环周期长,稳定性好。在碳材料中,石墨用得最普遍,其次是硬碳和软碳。而其他碳,例如碳纳米管,仍未发现其商业用途。图2对比了以石墨为负极的现代锂离子电池和早期焦炭负极的锂离子电池的电压放电曲线。
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