认识一个东西,都是从比较好坏开始。没有差哪来的优,笔者就从基本的指标入手,教大家如何分辨一些关于移动电源的重要概念。
锂电池分类
高低贵贱,自有高低贵贱的理由。评价移动电源好坏,首要因素就是它使用的锂电池分类。
为什么说这个分类很重要。因为锂电池本身就是一个综合的、大的概念,锂电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池,多几个字这里面都大有文章,成本相差也是天差地别。
锂电池,一般情况下是锂离子电池的简称,但严格来说与锂离子电池有很大的区别。锂电池是锂原电池,以锂金属或锂合金为负极材料,内含纯态的锂金属,使用非水电解质溶液的一次性电池。
锂电池是一次性电池,那锂离子电池是不是指可重复充放电的锂电池呢?也非。广义的可充放锂电池是指由一个石墨负极,一个采用钴、锰或磷酸铁的正极,以及一种用于运送锂离子的电解液所构成。但也有一次性锂离子电池,它们使用锂金属或者嵌锂材料作为负极。
锂离子电池相对于锂电池,多出的“离子”二字,就是强调了运送“锂离子”的电解液。我们熟悉的18650电池,内含被吸附的液体电解液,因而所有的18650电池都属于锂离子电池。而18650电池之所以从锂离子电池中被单独提出来,是索尼基于工业化标准生产的需要,做出的直径为18mm、长度为65.0mm的锂离子可充放电池,使用范围更广、更常见。所以,除了18650的标准,还有16340电池。
至于锂离子聚合物电池多出的“聚合物"三字,就是强调这是电解液为胶状、固态或半固态的锂离子电池。锂离子聚合物电池之所以高大上,“固态聚合物”代替了传统的液态电解质是根本原因。
使用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂电解液的好处,一是聚合物可以做成任意形状适配不同的设备,适应能力高,设备的工业设计自由度就有保证。比如手机(18650这类形状固定、使用液态电解液的电池明显就无法做在今天的智能手机上)。二是聚合物状态的电解液安全性更高:液体电解液在短路、处于高温高压的极端条件下是会爆炸的,聚合物则只会膨胀、鼓出来,再极端的状态也不会发生爆炸燃烧的情况。
另外,现在的锂离子聚合物电池,都是可充放电池,并非像锂离子电池那样,还有一次性、不可重复使用的品种。
综上
以是否能重复充放电为标准,锂离子聚合物电池全部属于可重复充放电,锂离子电池大部分可以、少部分不行,锂电池则完全不行。
以成本、生产难度衡量,锂离子聚合物电池>锂离子电池>锂电池。
以安全性衡量,锂离子聚合物>锂离子电池/锂电池。
以形态是否固定衡量,锂离子聚合物可“自定义”程度最高,锂离子电池/锂电池次之。
当然,这里还要强调一点,我们现在讨论的锂电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池,是以内部电解质为分类标准,主要影响生产成本、电池安全性、电池结构/外形。
至于电池性能,正极电芯的影响更大,比如采用钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等基于钴锂、锰锂、镍锂的不同正极材料,各方面的性能是不一样的。
要想彻底了解影响锂离子电池性能的要素,必须先知道锂离子电池的放电/充电的原理和一般结构组成。
一般来说,化学电池都是靠正极、负极活性物质在氧化还原反应(正极化合物失电子、负极化合物得电子)过程中,把化学能转化为电能。锂离子电池相对普通化学电池有什么特殊么?没有。锂离子电池之所以强调“锂离子”三字,是因为其正负极活性物质是含锂化合物。
既然本质上都是氧化还原反应,锂离子电池具体又是如何产生电流的呢——靠的是正极/负极层状物质晶体中,锂离子不断的嵌入/脱嵌,具体如图:
我们都知道,锂离子电池是由正极、负极、电解质三个基本部分组成。正极和负极作为存储锂离子的载体——层状物质晶体,充电时,锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,负极处于富锂态,正极处于贫锂态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极,保证负极的电荷平衡。放电时则相反,锂离子从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极,正极处于富锂态。
目前,负极材料是确定的,一般采用的是碳素材料——石墨(锂离子嵌入碳化合物);所以,与负极材料对应的正极材料这个“锂离子容器”,其储藏的锂离子越多、密度越大,锂离子电池储存的电量就越大;其晶体结构的化学性质越是稳定,锂离子电池的安全性就越高;其老化特性(即随着使用时间增长发生的材料变形,晶体结构破坏,内阻逐渐升高)越不明显,锂离子电池的循环次数越多。一句话总结,不同的正极材料,很大程度上决定了锂离子电池的容量、安全性、寿命。
基本我们可以这么说,决定锂离子电池性能的关键,是正极材料,而不同正极材料比拼的,是含锂化合物晶体结构的稳定性、嵌入锂离子数量、老化特性。
目前锂离子电池使用的正极材料,有包括层状结构的钴酸锂、镍酸锂,尖晶石结构的锰酸锂(同样也有层状结构的锰酸锂LiMnO2),橄榄石结构的磷酸铁锂,和三元材料(简单点可以看做钴锂、镍锂、锰锂某种程度的“混合”),它们各有优缺点。不过由于各个公司的研发和生产水平不同,对于不同的正极材料,各种流行的说法大家争论不休,这里只列举一家公司公开的数据来做对比:
参数说明:
电压越高,充放电功率也越大,在电池容量一定的情况下,意味着更快的充放电(不考虑控制芯片作用的情况下)。另外,正极材料电压不同,也要求配合不同的电解质,这样才能充分发挥锂离子电池的性能。
振实密度,也称压实密度,是指面密度/极片碾压后的厚度(集流体厚度),单位:g/cm3。一般来说,压实密度越大,电池的容量就能做的越高,所以压实密度也被看做材料能量密度的参考指标之一。不过压实密度讲求的是合适,过大或过小,都不利于锂离子的嵌入嵌出。而合适的正极压实密度,可以增大电池的放电容量,减小内阻,减小极化损失,延长电池的循环寿命。
循环寿命很好理解,就是衡量正极材料老化特性。
总结
很明显,不考虑还未实用的磷酸铁锂,目前综合性能最优的材料还是三元材料。至于钴酸锂,性价比最高,所以目前也是使用最广的。
本文来源:不详 作者:佚名