三元锂电池的结构与基本原理图_三元锂电池的结构与基本原理

1.三元锂电池结构

“三元锂电池”的全称是“三元锂聚合物”,三元锂聚合物是以锂镍钴锰酸盐(Li(NiCoMn)O2)三元正极材料为正极材料的锂电池,三元复合正极材料的前驱体产品以镍盐、钴盐、锰盐为原料,其中镍钴锰的比例可根据实际需要进行调整,因此三元正极材料的电池比钴酸锂电池更安全。

镍钴锰三元正极材料的结构特征:

三元电池结构图

Ni-Co-Mn三元材料通常可以表示为LiNixCoyMnzO2,其中x y z=1。

根据三种元素的摩尔比(xyz比)不同,称为不同的体系,如镍、钴、锰的摩尔比(xyz)为111的三元材料,简称333型;摩尔比为523的体系称为523体系等。三元材料如333型、523型、811型都属于六方-NaFeO2层状岩盐结构。

比如NCM811电池,实际上指的是电池的电极材料,主要采用80%的镍、10%的钴、10%的锰作为正极材料,简单的把电极材料改成8: 1: 1。

2.三元锂电池的工作原理

在Ni-Co-Mn三元材料中,三种元素的主要价态分别为2、3、4,Ni是主要的活性元素。充电期间的反应和电荷转移如下:

阳性反应:limo 2——Li1-xmo 2 xLi xe-

阴性反应:ncxlixe- lixcn

总电池反应:limo 2 nC——Li1-xmo 2 LixCn

它的阳极采用了可以吸附锂离子的碳电极。放电时,锂变成锂离子,离开电池的正极,到达锂电池的负极。锂离子在阳极和阴极之间移动,电极本身没有变化。这是锂电池和金属锂电池的本质区别。锂电池的阳极是石墨晶体,阴极通常是二氧化锂。充电时,阴极的锂原子电离成锂离子和电子,锂离子向阳极移动,与电子合成锂原子。在放电过程中,锂原子从石墨晶体中的阳极表面电离成锂离子和电子,锂原子在阴极合成。所以锂在这种电池中会一直以锂离子的形式出现,不会以金属锂的形式出现。

三元锂聚合物是一种容量和安全性平衡的材料,循环性能优于普通钴酸锂。早期由于技术原因,其标称电压仅为3.5-3.6V,应用范围有限。但时至今日,随着配方和结构的不断改进,电池的标称电压已经达到了3.7V,在容量上已经达到或超过了钴酸锂电池的水平。

3.三元锂电池的正确充电方法

(1)用配套的充电器,将三元锂电池充满电,充电一小时。

(2)放电至剩余20%左右,再充电。过度放电会损坏三元锂电池。

(3)尝试一次充入三元锂。

锂电池单体最大充电终止电压为4.2V,所以不能过充,否则电池会因正极锂离子流失过多而报废。给锂电池充电时,应使用专用的恒流恒压充电器。先给锂电池恒流充电,直到锂电池两端电压为4.2V,再切换到恒压充电模式。当恒压充电电流降至100mA时,应停止充电。

放电时,锂离子不能全部移动到正极,必须有一部分锂离子留在负极,以保证下次充电时锂离子能顺利嵌入通道。否则会缩短电池寿命。为了保证放电后石墨层中仍有部分锂离子残留,需要严格限制放电终止的最低电压,也就是说锂电池不能过度放电。

单体锂电池的放电终止电压通常为3.0V,最低不能低于2.5V,电池放电时间的长短与电池容量和放电电流有关。电池放电时间(小时)=电池容量/放电电流