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鋰離子電池|二次電池|特性與應用


什麼是鋰離子電池/二次電池?(Lithium-ion battery/Rechargeable battery)

鋰離子電池(Lithium-ion battery)是一種可重複充電電池,它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。鋰離子電池使用一個嵌入的鋰化合物作為一個電極材料。
目前用作鋰離子電池的正極材料主要常見的有:鋰鈷氧化物(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、鎳酸鋰(LiNiO2)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)及鈦酸鋰(LTO)。
而鋰鈷氧化物(LiCoO2)延伸變化鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)就是我們常聽到的鋰三元電池
這些鋰離子電池與其發展產品是在消費電子領域常見的。它們是可攜式電子設備中可充電電池最普遍的類型之一,具有高能量密度,無記憶效應,在不使用時只有緩慢電荷損失等特點。除了消費類電子產品,越來越進步的鋰離子電池也越來越普及,可用於軍事,純電動汽車和航空太空。例如,磷酸鋰鐵電池大量應用在工業自動化設備上,特斯拉也從21700鋰三元改成磷酸鋰鐵電池使用在車輛上,電動巴士、電動遊艇同樣裝載磷酸鋰鐵電池。
而錳酸鋰(LiMn2O4)其較差的循環性能及電化學穩定性大大限制了其產業化、鎳酸鋰(LiNiO2)製程困難、工藝條件控制不當,極易導致LiNiO2材料的電化學性能不穩定或下降。以致這兩種材料電池越來越少應用。

此外,一般生活中所稱的鋰電池其實是種誤稱,實際分類如下:

  • 鋰電池/一次性不可充電(Lithium battery):雖然常常用作為鋰離子電池的簡稱,但嚴格意義的鋰電池是鋰原電池,內含純態的鋰金屬,為一次性使用、不可充電。
  • 鋰離子聚合物電池/二次性可充電(Lithium-ion polymer batteries,也常稱為「鋰聚合物電池」):大致上其實也是鋰離子電池,是普通鋰離子電池的改良,利用膠態或固態聚合物取代液態有機溶劑的可充電鋰離子電池,其安全性較好不會爆炸,但可以塑造各種不同形狀的電芯,成為了現在的主流形式電池。

鋰電池的基本特性比較





鋰離子優點整理:

  1. 高能量密度:鋰離子電池的能量密度比其他可充電電池高,可以存儲更多的能量。
  2. 輕量化:鋰離子電池相對輕巧,使其成為便攜式設備的理想選擇。
  3. 長壽命:鋰離子電池具有較長的壽命,通常可以進行幾百到幾千次循環充電和放電。
  4. 低自放電率:鋰離子電池具有較低的自放電率,即在不使用時,其電量可保持較長時間。
  5. 高效能:鋰離子電池的充電效率高,可以在短時間充滿電。
  6. 可塑性:鋰離子電池可以以不同的形狀和尺寸製造,從而適合不同的應用。

鋰離子缺點整理:

  1. 安全問題:鋰離子電池在充放電過程中會產生熱量和壓力,如果過熱或壓力過大,可能會導致電池爆炸或起火。
  2. 低溫表現:鋰離子電池在低溫下的性能可能會下降。
  3. 昂貴:鋰離子電池的製造成本較傳統電池高。
  4. 有限的容量:鋰離子電池的容量是有限的,不適合長時間高能耗的應用。
  5. 環境影響:鋰離子電池需要特殊處理才能回收,否則會對環境造成污染。

鋰電池的應用市場

鋰三元(Li(NiCoMn)O2):
穿戴式裝置:密錄器、藍芽耳機
消費性產品:手寫筆、電子菸
移動裝置:POS機、強固型平板電腦、強光手電筒
IoT:各類Tracker、智慧農場儲能、年長者警報器、智能腳踏車踏板
再生能源:微型太陽能儲能

磷酸鐵鋰(LiFePO4):
以電池模組型式居多,應用於AGV自動化設備、小型太陽能儲能

鈦酸鋰(LTO):
特殊小型化產品、電池模組

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