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锂电池的工作原理是什么,它又具有什么优势

·2020-03-19 18:20·电子发烧友
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(文章来源:科学角度观世界)

金属在我们生活中非常常见,比如铁、铜、铝等等,金属有一个性质,就是非常容易被 氧化 ,因此,它的化学性质非常活泼。我们以锂金属为例。锂原子质子数为3,因此,锂原子中也就含有3个电子。

电子在核外的排布是有一定规律的,第一层只能排两个,因此第二层只有一个。由于最外层的电子只有一个,因此这个电子很容易不稳定,容易失去。我们知道 电流 的产生就是电流的定向流动,失去的这个电子如果通过导线流到另外一个电极,那不就能能够产生电流, 锂离子电池 正是运用这个原理。

我们把 电池 称为化学电源,它是一个能量转换的装置,放电时,电池是将化学能转变为电能;充电时则是将电能转变成化学能储存起来。当电池的正、负极用电子导体连接上并加上负载时,电流就会在负载上通过。只要正负极参加反应的物质不断进行反应,则电池不断有电流输出,直到反应物质反应完毕为止。

锂电池的工作原理是什么,它又具有什么优势

我们以上面这个最简单的电池模型进行分析,电池的活性物质是铜和锌,在空间上是分隔开的,当 电路 是断开的时候,锌电极和铜电极分别与硫酸锌溶液、硫酸铜溶液相接触。当锌电极与电解质ZnSO4接触时,金属锌会自发的失去两个电子,于是变成锌离子进入溶液中,锌电极上的Zn2+离子进入溶液后,将电子留在金属上,使锌带负电荷。带负电后,它将吸引溶液中的正电荷,在锌棒和溶液之间产生电位差,这个电位差阻止Zn2+继续转入溶液,同时促使Zn2+返回锌极,于是形成这样一个动态平衡。但总体上,锌电极是带负电的。

同样的在铜电极,铜离子很容易得到电子,得到的电子正是从铜电极中获得,因此铜这个电极会带上正电,并且也存在动态平衡。

锌电极带负电,铜电极带正电,因此在它们之间就会形成电势差,也就形成了电压,于是锌电极这边的电子就会流向铜电极,于是就产生了电流,有电子的流动后,两边的平衡状态就会受到破坏,于是锌会不断失去电子而电离,铜离子会不断得到电子。于是就有源源不断的电流。一个电池就形成了。

当电池进行充电时,则整个过程相反。锂电池的原理和这个近似,只是失去电子的是锂金属,那么,现代社会我们为什么又用到锂电池,却不同铝电池或者铁电池呢?这些金属不是更加容易得到吗,成本也就更加低。其实,主要是锂电池相对于其它金属制成的电池具有很多独特的优势。

锂电池的工作原理是什么,它又具有什么优势

锂离子电池的优势:比能量高,锂离子电池的能量与质量之比可达到120~200Wh/kg,在目前的蓄电池中是最高的。由于金属锂是质量非常轻,同样的质量下,所带的电荷最多。放电电压高,放电电压一般在3.2V~4.2V以上。自放电低,在正常存放情况下,锂离子电池的月自放电率仅为5%左右。

循环寿命长,无记忆效应,普通锂二次电池在100%的放电深度下,充放电可达500次以上。如磷酸铁锂电池和钛酸锂电池为负极的电池循环寿命分别超过2000次和5000次。充电效率高,电池循环充放电过程中能量转换效率可达90%以上。

大家或许觉得锂离子电池似乎近些年来一直没什么发展,其实现在制约锂离子电池高性能的因素主要是储锂材料和电解质材料的开发与应用。现在研究特别多的石墨烯电池就是利用石墨的层状结构,将锂离子嵌入石墨层中,可以大大增多电池的容量,并且由于石墨烯的超强导电性,提高了电池的充放电效率。
(责任编辑:fqj)

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