锂电池技术解析及展望.docx

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1、锂电池技术解析及展望目录1 .前言22 .主要电池类型22. 1.什么是原电池？23. 2.什么是二次电池？33.讨论常见的五种电池33.1. 锂离子电池：便携式电子产品和电动汽车的主导者34. 2.铅酸电池：广泛应用于汽车和备用电源应用44.3. 银镉电池：以可靠性和耐用性著称44.4. 银氢电池(NiMH)：混合动力汽车和便携式设备44.5. 钠离子电池：新兴技术54.主要电池组件55. 1.阳极55.3. 阴极55.4. 电解质55.5. 绝缘件65.6. 外壳65.主要工作原理65.1.电化学反应：电池如何产生和储存能量65. 2.充放电过程：了解电子和离子的流动66. 3.容量、电压

2、和能量密度：电池的关键性能指标75.3.1.容量75.3.2.电压75.3.3.能量密度76.主要性能因素76.1.循环寿命76.2.能源效率86.3. 自放电86.4. 温度影响86. 5.老化和退化87.主要应用87.1. 消费类电子产品87. 2.电动汽车(EV)97. 3.可再生能源存储(RES)97. 4.航空航天和国防97.5. 医疗设备98.技术进步98. 1.固态电池108. 2.液流电池108.5. 超越锂离子109.挑战与未来展望109. 1.电池成本和制造可扩展性109.5. 安全问题和缓解策略119.6. 增强的电池性能1110.电池回收和可持续性1110. 1.将电池

3、集成到智能电网和物联网(IOT)1110. 2.电池技术对能源转型和脱碳工作的影响111 .前言近几年，人们加大在电池技术的研究和开发的资本投入。这主要是因为电动汽车和其他可再生能源对可持续能源存储形式的需求不断增长。锂离子电池在制造工艺和新材料的使用方面取得了显进步，从而实现了更高的能量密度和更快的充电能力。此外，正在对替代电池化学物质(例如固态电池和锂硫电池)进行研究，这些电池为未来的进一步发展提供了广阔的前景。这些技术旨在克服当前电池系统的现有限制，包括与能量密度、安全性和环境影响相关的问题。但是，稍后会详细介绍。2 .主要电池类型我们确信您非常清楚，电池技术有多种形式。然而，重要的是首

4、先区分电池的两个主要类别。这些就是所谓的“一次”和“二次”电池。2.1 .什么是原电池？原电池，是一种简单方便的电源，适用于灯、相机、手表、玩具和收音机等便携式设备。然而，它们不能充电，并且在使用后必须丢弃。简而言之，这些电池一旦“通电”后只能放电，不能充电。原电池经济高效、重量轻且几乎不需要维护。它们主要用于家用电器，通常由单个圆柱形电池组成，但它们可以制成各种形状和尺寸其中包括旧电池，如碱性电池、锌碳电池和含汞电池。2.2 .什么是二次电池？二次电池，也称为充电电池，放电后可以再充电。通过使电流以与放电相反的方向流过电池，电化学电池可以返回到其原始状态。二次电池有两种使用方式：第一个是作为

5、能量存储设备。在此应用中，它们与主能源电连接，由主能源充电，然后在需要时提供能量。例如混合动力电动汽车（HEV）和不间断电源（UPSJo这些是转向可再生能源的重要组成部分。二次电池应用的另一类包括将电池用作一次电池直到其几乎完全放电。此时，可以通过适当的机制对其进行充电，而不是丢弃。移动电话、笔记本电脑和电动汽车等现代便携式电子产品就是此类应用的示例。二次电池能量密度较低，但具有高功率密度、平坦的放电曲线、高放电倍率和良好的低温性能。二次电池有多种类型，但最常见的五种包括但不限于：2.3 酸电池2）银镉电池3）银氢电池4）锂离子电池5）钠离子电池3 .讨论常见的五种电池我们将在每节中更详细地讨

6、论其中的每一个。3.1 锂离子电池：便携式电子产品和电动汽车的主导者锂电池，因其高能量密度而被广泛使用，比碱性电池和其他电池类型存储更多的能量。与大多数电池一样，它们重量轻，非常适合大量使用。它们在极端温度下也表现良好，保质期约为十年。然而，它们可能高度易燃，在使用寿命结束时需要专业处理。锂电池比其他不可充电电池具有更高的毫安时（mAh）额定值，并且有标准AA、AAA和9V尺寸可供选择。为单节AA锂电池的容量范围2,700-3,400+mAh,即使频繁使用，也能持续很长时间。其他类型，特别是锂离子（1i-ion）,也可充电。锂离子电池具有极高的能量密度，不需要定期维护。然而，由于使用普通设备充

7、电存在爆炸风险，因此无法提供消费级尺寸。相反，需要特定的锂离子充电装置。3. 2.铅酸电池：广泛应用于汽车和备用电源应用铅酸电池是应用最广泛的充电电池，一个多世纪以来的成功产品。它们具有各种配置，从容量为IAh的小型密封电池到容量为12,000Ah的大型电池。铅酸电池有多种应用，包括作为汽车工业的启动、照明和点火（S11）电池、储能、应急电源、电动和混合动力车辆、通信系统和应急照明系统。铅酸电池的广泛应用是由于其电压范围宽、形状和尺寸多样、成本低、易于维护。与其他二次电池技术相比，铅酸电池是最便宜的选择，并且具有出色的性能。铅酸电池的电效率通常在75%至80%之间，适合作为储能（不间断电源-U

8、PS）和电动汽车的备用电源。4. 3.镣镉电池：以可靠性和耐用性著称银镉电池（银镉电池）通常用于玩具、数码相机、手电筒和其他高耗电设备（如电钻）。它们有标准AA、AAAsC和9V尺寸。与碱性电池不同，银镉电池在完全耗尽之前保持稳定的电压。它们的购买成本往往较低，卸货速度快，并且可以满负荷交付。不利的一面是，它们不能长期保存，并且需要在充电前完全放电。它们还含有有毒金属，需要专门处理。尽管银镉电池每节电池的电压较低，为12V,但它们可以通过强大的输出功率进行补偿。3.4.镇氢电池（NiMH混合动力汽车和便携式设备尽管银氢电池具有高能量密度，但它们可能不是烟雾报警器、电视遥控器或时钟等应用的最佳选

9、择，因为它们只能充电约500次，循环寿命就会缩短。银氢电池往往具有相对较高的能量体积比，通常被认为相对环保，并且可以满负荷供电。它们在运输时往往处于放电状态，因此首次使用前需要充满电，过度充电会降低电池容量。这些设备消耗的能量最少，锲氢电池最好在30到60天内使用。与银镉电池一样，锲氢电池在几乎完全放电之前都保持满容量。3. 5.钠离子电池：新兴技术钠离子电池与锂离子电池类似，但使用钠离子(Na+)而不是锂离子(1i+)作为电荷载体。工作原理和电池结构几乎相同，但使用钠化合物代替锂。钠离子电池由于成本更低、可用性更高并且对环境影响较小，正在成为锂离子技术的潜在替代品。他们使用廉价且丰富的钠和铝

10、来代替锂和铜。4.主要电池组件电池由阳极、阴极和电解质组成，并带有防止接触的隔膜。它们通常也被封装以用于存储和安全。阳极和阴极都是电极类型。电极是电流进入或离开电路中元件的导体。4. 1.阳极电池中，能使电解质发生氧化反应的电极称为阳极。当常规电流流入电路中时，电子从电路中的阳极流出。在电池中，阳极和电解质反应会产生电子，这些电子想要移动到阴极，但在电路完成之前无法穿过电解质或隔膜。4. 2.阴极阴极(Cathode)是电化学反应的一个术语。指的是得电子的极，也就是发生还原反应的极。在原电池中，阴极是正极；电子由负极流向正极，电流由正极流向负极。溶液中的阳离子移向正极，阴离子移向负极。在电解池

11、中阴极与电源的负极相连。阴极总是与阳极(AnOde)相对应而存在的电子通过设备中的外部电路流入阴极。在电池中，阴极利用阳极产生的电子进行化学反应。4. 3.电解质电解质是一种在阳极和阴极之间传输离子同时抑制电子流动的物质，因此它们很容易通过外部电路。电解质对于电池的功能至关重要。由于电子无法通过它，因此它们会穿过连接阳极和阴极的电路中的电导体。4. 4.绝缘件绝缘件可防止阳极和阴极接触并导致短路。它们可以由棉、尼龙、聚酯、纸板或合成聚合物薄膜制成。电解质中的离子可以带有正电荷或负电荷以及不同的尺寸。特定的绝缘件可以选择性地允许离子通过。4. 5.外壳大多数电池需要一个外壳来容纳其化学成分。外壳

12、，也称为“外壳”或“外壳”，是设计用来容纳电池内部组件的机械结构。它们可以由塑料、钢、软聚合物层压袋和其他材料制成。一些电池使用导电钢外壳，该外壳连接到电极之一，例如普通AA碱性电池的阴极。5.主要工作原理正如我们所见，电池的主要部分是阳极（正极）、阴极（负极）和电解质。但这些部分如何协同工作以使电池工作呢？5. 1.电化学反应：电池如何产生和储存能量电池的运行，基于氧化还原反应（氧化还原反应的缩写）这些是涉及电子从一个分子（或原子）转移到另一个分子（或原子）的化学反应。在电池方面：阳极（放电）：在阳极，释放电子的地方发生氧化。例如，在经典的锌碳电池中，阳极的锌金属被氧化成锌离子。阴极（放电）

13、：这些电子然后通过外部电路流向阴极，提供电能。在阴极，正离子获得电子时发生还原过程。在同一锌碳电池中，进入的电子会还原阴极的二氧化镒。电池中的电解质允许离子在电极之间移动，同时防止电池内部电极之间的直接电子流动。离子的这种运动保持电池内的电荷中性。然后电池通过电化学反应将化学能转化为电能来产生能量。5. 2.充放电过程：了解电子和离子的流动上面解释了放电过程，即将储存的化学能转化为电能。当电池连接到设备(如手电筒或智能手机)时，电子通过设备从阳极流向阴极，为其供电。本质上，充电的过程电池是放电的逆过程。通过向电池提供电能，驱动阳极的还原反应和阴极的氧化反应，电子流发生逆转。这会补充电池中的化学

14、能，从而储存能量。值得注意的是，此过程适用于铅酸电池和锂离子电池等可充电电池。5. 3.容量、电压和能量密度：电池的关键性能指标5. 3.1.容量容量，衡量电池中存储的总电量，通常以毫安时(mAh)或安时(Ah)表示。电池的容量让我们了解电池可以提供一定电流的时间。例如，容量为2000mAh的电池应该能够提供2000mA的电流一小时。5. 3.2.电压电压，代表电池两个电极之间的电势差，以伏特(V)为单位测量。电压本质上是驱动电子从阳极流向阴极的“压力”。电池的标称电压由其化学成分决定。例如，锂离子电池的标称电压约为3.6V。5. 3.3.能量密度能量密度衡量电池每单位体积可存储的能量，通常以

15、瓦时每升(Wh/1)表示。能量密度是衡量电池相对于其尺寸或重量能够存储多少能量的关键指标。高能量密度电池对于电动汽车和智能手机等便携式设备来说是理想的选择，因为它们可以在更小的空间内存储更多的能量。总之，电池的工作原理是氧化还原电化学反应，将化学能转化为电能。充电过程通过逆转这些反应来存储能量，而放电过程则提供能量。6.主要性能因素关于电池，需要考虑几个主要性能因素。6. 1.循环寿命电池的循环寿命是指其容量下降到初始额定容量的指定百分比(通常为80%)之前的充放电循环次数。循环寿命定义了电池的使用寿命，受放电深度(DOD)(充电前使用了多少电池容量)的影响。当DOD较低时，电池的循环寿命更长。6. 2.能源效率电池的能源效率是指从电池中回收的能量相对于充电期间注入电池的能量的量。内阻可能会导致效率低下，从而导致充电和放电过程中的能量损失。电池内部的化学过程也会导致能量损失，这种损失可能不是100%可逆的。7. 3.自放电当电池不使用时，它会自然失去电量，这个过程称为自放电。高温会使该速率恶化。不同的电池具有不同的自放电率，锂离子电池的自放电率低于银基电池。8. 4.温度影响