锂离子电池工作原理.docx
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锂离子电池工作原理
锂离子电池工作原理
正极反应：
放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
负极反应：
放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
电池总反应
以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。
回正极的锂离子越多，放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。
Li-ionBatteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。
所以Li-ionBatteries又叫摇椅式电池。
一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。
而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池部的电化学反应需要时间。
就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。
正极
正极材料：
可选正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。
正极反应：
放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
充电时：
LiFePO?
→Li1-xFePO?
+xLi+xe
放电时：
Li1-xFePO?
+xLi+xe→LiFePO?
不同的正极材料对照：
正极材料
平均输出电压
能量密度
LiCoO?
3.7V
140mAh/g
Li2MnO3
3.7V
100mAh/g
LiFePO4
3.2V
130mAh/g
Li2FePO?
F
3.6V
115mAh/g
负极
负极材料：
多采用石墨。
新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。
负极反应：
放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
充电时：
xLi+xe+6C→LixC6
放电时：
LixC6→xLi+xe+6C
锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。
在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：
充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。
组成部分
钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列：
（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。
导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。
（2）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。
（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。
（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。
（5）电池外壳——分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。
工作效率
锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。
自放电小，好的电池，每月在2%以下（可恢复）。
没有记忆效应。
工作温度围宽为-20℃～60℃。
循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。
使用寿命长。
不含有毒有害物质，被称为绿色电池。
电解质溶液
溶质：
常采用锂盐，如高氯酸锂（LiClO4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）。
溶剂：
由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。
有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜（solidelectrolyteinterphase，SEI）导致电极钝化。
有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。
优点
1）电压高
单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。
2）比能量大
能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。
3）循环寿命长
一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。
对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。
4）安全性能好
无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：
Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：
部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。
5）自放电小
室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。
6）快速充电
1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。
7）工作温度
工作温度为-25~45°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。
超级电容器工作原理
概述
超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器（ElectricalDouble-LayerCapacitor）、电化学电容器（ElectrochemcialCapacitor,EC）,黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。
它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。
众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。
那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。
它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。
双电层电容器与铝电解电容器相比阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。
同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10^6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。
工作原理
超级电容器是利用双电层原理的电容器。
当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。
当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。
由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。
由此可以看出：
超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。
因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。
分类
超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。
按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：
双电层型超级电容器
分类多样
1.活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。
2.碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。
3.碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。
4.碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。
以上电极材料可以制成：
1.平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。
2.绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。
赝电容型超级电容器
包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。
这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。
按电解质类型
可以分为水性电解质和有机电解质类型：
水性电解质
1.酸性电解质，多采用36%的H2SO4水溶液作为电解质。
2.碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。
3.中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。
有机电解质
通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。
优点
1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；
（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；（4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；（7）超低温特性好，温度围宽-40℃～+70℃；（8）检测方便，剩余电量可直接读出；（9）容量围通常0.1F--1000F。
法拉（farad），简称“法”，符号是F1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V1库仑是1A电流在1s输运的电量，即1C=1A·S。
1库仑=1安培·秒1法拉=1安培·秒/伏特
燃料电池
燃料电池（FuelCell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。
燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。
它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。
燃料电池涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。
总的来说，燃料电池具有以下特点：
能量转化效率高；它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。
燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。
安装地点灵活；燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。
燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。
负荷响应快，运行质量高；燃料电池在数秒钟就可以从最低功率变换到额定功率。
组件
燃料电池的主要构成组件为：
电极（Electrode）、电解质隔膜（ElectrolyteMembrane）与集电器（CurrentCollector）等。
1、电极
燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。
电极主要可分为两部分，其一为阳极（Anode），另一为阴极（Cathode），厚度一般为200－500mm；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。
目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称SOFC）的Y2O3－stabilized－ZrO2（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。
2、电解质隔膜
电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂（LiAlO3）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂－钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。
3、集电器
集电器又称作双极板（BipolarPlate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。
特点与原理
由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。
同时还有以下一些特点：
不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；
不管装置规模大小均能保持高发电效率；
具有很强的过负载能力；
通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；
发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；
电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；
用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。
氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。
电极应为：
负极：
H2+2OH-→2H2O+2e-
正极：
1/2O2H2O2e-→2OH-
电池反应：
H21/2O2==H2O
另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
分类
燃料电池可分为很多种类型。
按燃料的处理方式的不同，可分为直接式、间接式和再生式。
直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。
间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。
再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。
按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。
优缺点
燃料电池的优势，科技手段中，尚没有一项能源生成技术能如燃料电池一样将诸多优点集合于一身。
能源安全性。
高可靠度供电。
燃料多样性。
高效能。
环境亲和性。
可弹性设置/用途广。
太阳能电池
“光生伏特效应”，简称“光伏效应”，英文名称：
Photovoltaiceffect。
指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。
有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。
原理
太照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
基本特性
太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电环保电池的伏安特性三个基本特性。
具体解释如下
1、太阳能电池的极性
硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。
太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2、太阳电池的性能参数
太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。
这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3 太阳能电池的伏安特性
P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。
当电池暴露于太谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。
能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg，大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。
因此，在太阳能电池的设计和制造过程中，必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。
分类
太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。
按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:
H,a-Si:
H:
F,a-SixGel-x:
H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌（Zn3p2）等。
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：
硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位。
课件：
小结：
扫描速度增大，炭的比容量下降，不同的炭有不同的下降速率。
对于比表面积较大且以微孔为主的炭，扫描速度较小时具有很大的比容量，但当扫描速度增加时，比容量下降得非常快。
对于孔为主的炭，虽然在较小的扫描速度比容量不大，但是随着扫描速度的增加，比容量减少得比较小。
PEMFC质子交换膜
质子交换膜是PEMFC的关键部位，它直接影响电池性能与寿命。
用于PEMFC的质子交换膜必须满足下述条件：
1.具有高的H+传导能力，一般而言电导率要达到0.1S/cm的数量级；
2.良好的化学和电化学特性；
3.低的反应气体如氢、氧气的渗透参数；
4.制作时有一定的粘弹性，以利在制备膜电极三合一时催化层与膜的结合，减少接触电极；
5.具有一定的机械强度。
双极板的功能要求：
1.实现电池之间电的联结，因此它必须由导电良好的材料构成；
2.将燃料（如氢）和氧化剂（如氧）通过双极板，密封件等构成的公用孔道，经各个电极的进气管导入各个电池，并由流场均匀分配到电极各处；
3.因为双极板两侧的流场分别是氧化剂和燃料通道，所以双极板必须是无孔的，实现氧化剂与燃料的分隔；
4.构成双极板的材料必须在PEMFC运行条件下抗腐蚀，以达到电池组的寿命要求，一般为几千小时至几万小时；
5.因为PEMFC电池组效率一般在50%左右，双极板材料必须是热的良导体，以利于电池组废热的排出；
6.成本低，易加工材料。
固体氧化物燃料电池（SOFC）的特点：
1.采用全固体结构，无电解液流失和腐蚀问题；
2.无需贵金属做电极催化剂，资源有保障；
3.供选择的燃料围广（可以直接利用氢气、天然气、煤气，甚至是汽油、煤油）；
4.排放的预热温度高，便于综合利用；
5.无CO中毒问题，事实上CO可以直接作为SOFC的燃料。
SOFC电极材料的要求：
1.多孔性，允许反应气体容易地扩散到三相界面，并增大催化反应表面；
2.高的电子导电性；
3.与固体电解质有高的化学和热相容性以及相近的热膨胀系数；
阳极材料
金属（Co，Ni）
Ni-YSZ金属陶瓷（cermet）阳极（目前使用的）
阴极材料
La1-xSrxMO3-δ（M：
Mn，Fe，Co，0≤x≤1），其中，La1-xSrxMO3（LSM）综合性能最佳
Ln1-xAxMO（Ln为镧系元素，A为碱土元素，M为过渡金属）
电化学催化基本过程：
1.反应物向催化剂表面的扩散；
2.反应物在催化剂表面上的吸附；
3.被吸附的反应物在表面上相互作用；
4.产物由催化剂表面上脱附；
5.产物离开催化剂表面向周围介质扩散。
MEA催化层优化分析
催化层添加PTFE：
促进气体传质，增大电池阻，减小催化剂活性表面积（过量时）
MEA性能随PTFE含量增加先升后降
无法高温处理----分散性不好
结论：
阳极推荐含量10%，阴极不推荐加入PTFE
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