鋰離子電池為什么應(yīng)用廣泛？取決于這些鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)

　　鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，小到便捷式數(shù)碼產(chǎn)品，智能工具；大到電動自行車，電動汽車，以及醫(yī)療設(shè)備，軍工/航天等領(lǐng)域，都有鋰離子電池的一席之地。

　　為什么鋰離子電池會如此受到歡迎？它有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？一起來看看吧。

　　鋰離子電池（Lithium-ion battery）是一種二次可充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。鋰電池容量單位是“mAh”，比如1000mAh，表示的是1000mA的供電電流可以用1小時。500mA供電能用2小時。依此類推。我們先來看一下鋰離子電池的發(fā)展史：

　　·1970年代，鋰離子電池由斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）提出。他采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個鋰離子電池，但是電池使用金屬鋰會存在燃燒爆炸的隱患。

　　·1980年，約翰·古迪納夫（John Goodenough）、水島公一等人在英國牛津大學(xué)發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的正極材質(zhì)鈷酸鋰（LiCoO₂）。

　　·1982年伊利諾伊理工大學(xué)（the Illinois Institute of Technology）的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。

　　·1983年M.Thackeray、約翰·古迪納夫等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料，錳尖晶石具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免燃燒、爆炸的危險。雖然純錳尖晶石隨充放電循環(huán)會變衰弱，但是可以通過材料的化學(xué)改性克服。截至2013年錳尖晶石用于商業(yè)電池。

　　·1985年，日本旭化成的吉野彰運(yùn)用鈷酸鋰開發(fā)電池陰極，徹底消除金屬鋰，完成了首次可商業(yè)化的含鋰堿性鋰離子電池。

　　·1989年，A.Manthiram和古迪納夫發(fā)現(xiàn)采用聚電解質(zhì)的正極將產(chǎn)生更高的電壓，原因是聚電解質(zhì)的電磁感應(yīng)效應(yīng)。

　　·1991年Sony成功開發(fā)并商用鋰離子電池，它的商用，使人們的移動電話、筆記本電腦等便捷式電子設(shè)備重量和體積大大減小，使用時間大大延長。

其實(shí)，在我們?nèi)粘５纳钪?，常常會將鋰離子電池與以下兩種電池混淆：

　　①鋰電池（Lithium battery），我們常常將鋰離子電池簡稱為鋰電池，其實(shí)從嚴(yán)格意義上講，鋰電池指的是鋰原電池，內(nèi)含純態(tài)的鋰金屬，是不可充電的一次性電池（遙控器、鐘表等電池）。

　?、阡嚲酆衔镫姵兀↙ithium-ion polymer batteries），利用膠態(tài)或固態(tài)聚合物取代液態(tài)有機(jī)溶劑的可充電鋰離子電池，其安全性較好不會爆炸，且可以塑造各種不同形狀的電芯，是現(xiàn)在的主流形式電池（手機(jī)、平板等數(shù)碼設(shè)備電池）。

鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)如下：

1.實(shí)用性

　　相較于鉛酸電池的制造方法，鋰離子電池故障率要低得多。使用壽命更長，維護(hù)要求更低，UPS電源采用鋰離子電池很少發(fā)生故障。

　　此外，鋰離子電池通常比鉛酸電池具有更長的循環(huán)壽命。例如，鉛酸蓄電池通?？梢蕴峁?00次放電循環(huán)，這意味著可以將電池的容量耗盡至其額定值的50％，然后其重新充電至100％，可以達(dá)到200次循環(huán)。但在更換電池之前，鋰電池可以提供500-7000次放電循環(huán)（這取決于所使用的化學(xué)物質(zhì)）。另外，鋰離子電池具有較低的自放電率，在不使用時自身放電緩慢，具有更長的保存時間。

2.重量輕

　　鋰離子電池比鉛酸蓄電池重約三分之一。這樣可以節(jié)省數(shù)據(jù)中心建設(shè)成本，因?yàn)椴恍枰庸痰匕鍋沓惺芨嗟闹亓?。它還節(jié)省了運(yùn)輸成本，因?yàn)榕c鉛酸蓄電池相比，能夠以同樣的成本運(yùn)輸更多的鋰離子電池。

3.體積小

　　鋰離子電池柜的尺寸通常是鉛酸電池柜的一半，達(dá)到相同的容量可節(jié)省50％的占地面積。這使組織可以重新規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心，以增加IT系統(tǒng)的可用空間。此外，可以節(jié)省新數(shù)據(jù)中心的建設(shè)成本，容納用于儲能的鋰離子電池機(jī)柜的空間可以更小。

4.能量密度高

　　鋰離子電池具有更高的能量密度（Wh/kg，或每千克瓦特小時）和功率密度（W/kg，或每千克瓦特），按質(zhì)量計(jì)算，可達(dá)150～200Wh/kg(540～720kJ/kg)；按體積計(jì)算，可達(dá)250～530Wh/L(0.9～1.9kJ/cm3)。

5.工作溫度高

　　鋰離子電池可以在30°C（86°F）的溫度下工作，比鉛酸蓄電池高出近10°C。這使組織可以提高數(shù)據(jù)中心的室溫，從而節(jié)省用于冷卻的電能，降低冷卻成本，節(jié)省總體擁有成本（TCO）。此外，鋰離子電池對溫度變化不太敏感，過高的溫度明顯不會縮短電池的使用壽命。

6.減少維護(hù)

　　鋰離子電池配有內(nèi)置電池管理系統(tǒng)（BMS），可提供自動狀態(tài)、故障監(jiān)控、電池平衡、電源優(yōu)化和外部通信等監(jiān)測和維護(hù)功能。電池管理系統(tǒng)（BMS）使數(shù)據(jù)中心設(shè)施工程師能夠更輕松地監(jiān)控電池的運(yùn)行時間和健康狀況，降低人工和維護(hù)成本，并顯著降低電池組故障的風(fēng)險。

7.充電快速

　　鋰離子電池在大約兩小時內(nèi)完全充電，而鉛酸電池在大約24小時內(nèi)完全充電。更快的充電時間意味著鋰離子電池能夠更好地處理多個電力中斷情況。（例如，如果在24小時內(nèi)有多次斷電，鋰離子電池可以更快地充電，為每次斷電提供完整后備供電時間。）

8.環(huán)境優(yōu)勢

　　鋰離子電池的碳足跡為鉛酸電池的三分之一，并且更具有環(huán)保性。

鋰離子電池缺點(diǎn)：

　　1.生產(chǎn)成本較高。主要表現(xiàn)在正極材料 LiCoO₂ 的價格高；（Co 的資源較少），電解質(zhì)體系提純困難。

　　2.鋰離子電池不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在 0.5C 以下，只適合于中小電流的電器使用。

　　3.需要保護(hù)線路控制。

　　a.過充保護(hù)：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題；故必須在 4.1V - 4.2V 的恒壓下充電；

　　b.過放保護(hù)：過放會導(dǎo)致鋰離子電池活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)線路控制。

鋰離子電池組成：

　　1.正極材料：可選的正極材料有很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照：

　　正極反應(yīng)：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。

　　充電時：LiFePO₄ → Li_1-xFePO₄ + xLi⁺ + xe⁻

　　放電時：Li_1-xFePO₄ + xLi⁺ + xe⁻ → LiFePO₄

　　2.負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。

　　負(fù)極反應(yīng)：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。

　　充電時：xLi⁺ + xe⁻ + 6C → Li_xC₆

　　放電時：Li_xC₆ → xLi⁺ + xe⁻ + 6C

　　3.電解質(zhì)溶液：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO₄)、六氟磷酸鋰(LiPF₆)、四氟硼酸鋰(LiBF₄)。

　　溶劑：電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機(jī)溶劑常常在充電時破壞石墨的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase，SEI)導(dǎo)致電極鈍化。有機(jī)溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。

　　在冰箱中放置壽命縮短的電池時，性能會恢復(fù)嗎？

　　這個其實(shí)沒有科學(xué)依據(jù)。日常生活中使用的電池是化學(xué)電池，建議在使用時在10到60度的環(huán)境中使用，在存放時使用低溫。即使電池放電，內(nèi)部仍會留有少量能量。即使設(shè)備最初不起作用，剩余的能量也可以平衡并使用一些量。這就是為什么當(dāng)汽車電池耗盡并啟動時，需要一段時間才能再次等待。如果將電池放在冰箱中，則自放電電阻在達(dá)到平衡時降低，并且可以獲得更多的能量。

　　當(dāng)二次電池長時間不使用時，也可以在充滿電并密封后將其存放在冰箱中?？梢詼p少自放電并且可以防止電解質(zhì)的干燥。然而，冷凍狀態(tài)不會影響這種變化，并且它可以凍結(jié)電池中的電解質(zhì)并使性能變差。

　　看了以上文章，大家也應(yīng)該了解了鋰離子電池為什么如此受到歡迎的真正原因，相對于其他電池，鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)也很明顯，這也是其應(yīng)用廣泛的原因。

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