【转帖】癮科學:鋰離子電池

发表于: 2009-11-04 20:22:58
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只看楼主
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小薑上上個禮拜去工研院進行了一次訪問,題材是「不會爆的鋰離子電池」(猜薄膜喇叭的都猜錯啦 XD)。不過在講到怎麼且阻止鋰離子電池爆炸前,讓我們先來了解一下鋰離子電池的原理,以及為什麼它會爆炸吧!

為什麼用鋰離子電池?

相較於其他種類的充電電池,鋰離子電池有許多優點,這其中最重要的一個,就是它的能量密度。鋰離子電池的電極一般是用鋰化合物和石墨(純碳)所構成,兩者都是非常輕的材料,同時鋰也是一個反應性非常強的元素,因此原子的鍵結中可以存放更多的能量。這兩者相加,就意味著在現有的充電電池中,想擁有同樣的蓄電量的話,鋰離子電池是最輕的,適合手機、筆電、數位相機等隨身物品使用。此外,鋰離子沒有記憶效應,也就是說鋰離子電池不必先把電力放光才能再充電,而且蓄電量也不會太快減少,大約每個月減少 0.1% 的電力(算上保護回路的需求也才 5%,鎳氫電池大約每個月減少 20%)。最後,它還可以歷經數百次的充放電,依然生龍活虎。

但鋰離子電池也有缺點。其中最主要的一個,就是它的總蓄電力(最大電量)會隨著出廠時間增加而減少 -- 無論你用不用鋰離子電池,出廠 2~3 年後電池的最大蓄電力都會大幅降低,甚至無法使用,因此「買了放著」是完全錯誤的做法。其次,鋰離子電池很怕熱,在高溫的環境上最大蓄電量降低的效應會被加速,這部份後面會再補充。再者,鋰離子電池也怕過放電,一但放電超過某個程度,電力可能會再也充不進去。當然,鋰離子電池還有會爆炸的危險,這是大家都知道的。

為什麼鋰離子電池會爆炸?這要從它的化學性質談起...

鋰離子電池的化學


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小薑這裡儘量不講的太深入(其實是自已也不是完全懂 orz),但簡單來說,鋰離子電池和所有充電電池一樣,都有一個正極材料和一個負極材料,在這裡正極材料是通常是鋰鈷氧(LiCoO2),而負極材料則有很多種,最常見的石墨(碳)。充電時鋰鈷氧中的鋰離子會游過中間的電解質,附著在負極上,而放電(上圖)時則是相反,從負極的碳游回鋰鈷氧這一側。


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在一顆以石墨為負極的鋰離子電池裡,是用一層鋰鈷氧,一層裝有電解質的分隔物、一層石墨為一組,一組一組的疊起來。在手機電池那種薄型電池中,裡面就是這樣一層一層疊起來的,而在筆電裡則通常是把這一片片的材料卷成圓柱狀,變成像 3 號電池那樣的東西。在鋰離子電池中,帶有最大的危險的不是兩個電極,而是中間的有機電解質溶劑,以易燃的醚類最多。當電池因為任何原因短路時,電池內能量會在短時間以熱的形式釋放出來,點燃這些做為溶劑的醚類,引發爆炸。

過放電時鋰離子會和鋰鈷氧直接發生反應,產生氧化鋰和氧化鈷。這個反應是不可逆,所以過放電的鋰離子電池就等於報銷了。



鋰離子電池很容易爆炸嗎?


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小薑在工研院得到的經驗是:「怎麼這麼難爆啊!」在工研院,他們裝了一台機器,用鑽頭刺穿平板狀況的薄型電池,基本上必需要是新的、充飽電的電池才有最大的爆炸危險,只要是用過一段時間的電池,不僅最大電壓會大為降低,而且裡面使用的材料也會「鈍化」,變得不那麼容易反應。我們準備了一大堆舊電池準備要爆個過癮,沒有想到的是,不僅全部的舊電池都沒爆掉,連全新的電池都不見得每顆都爆。這是不是說買二手的電池搞不好比較安全?XD

但是爆炸是一回事,我們從探針上的溫度計還是看到了非常可怕的溫度,電池短路後內部溫度常常在 100 度以上,想必這麼燙一塊東西放在褲子口袋裡還是不可能舒服的吧!

鋰離子電池有什麼安全措施?


為了避免鋰離子電池過熱,甚至爆炸,現代的鋰離子電池內建了許多自我保護的機制。首先,每顆鋰離子電池(或在筆電的例子中,整組電池組)都內建了一顆控制晶片,這顆控制晶片會監控電池的電壓(電池組的話,會監控其中每個電池的個別電壓)和溫度,超出設定的範圍,晶片就會自動斷電。此外,每顆電池還會設計排氣孔,讓因高溫產生的氣體可以順利地排掉,不至於累積產生爆炸。

這些保護措施對沒有實體受到傷害的電池來說是足夠了,但如果是被破壞(例如被穿刺)的鋰電池怎麼辦?這就是工研院新研發的 STOBA 電池的強項了。STOBA 電池在電解液內加入了一種「奈米級的高分子材料」,當受熱時,這種高分子材料會聚合成一種具有隔離效果的薄膜,阻止鋰離子的流動,切斷暴走的短路電池繼續加熱電池的可能。這種技術不僅阻止電池爆炸,也阻止了電池可能過熱的危險,大部份我們看到的實驗,溫度都沒超過攝氏 60 度 -- 還是會燙,但至少沒有引燃周圍可燃物的危險。

鋰離子電池怎麼保養?

第一個最重要的原則:不要買電池回來備用!之前說過了,不論你有沒有在用它,出廠的鋰電池蓄電量都會逐漸降低,因此買回來不用的電池真的就是浪費了。同理,購買新電池的時候也要特別注意它的出廠日期,如果出廠超過一年的電池,很有可能蓄電量只剩全新電池的一半!

另外兩個影響蓄電量降低的因素,一是溫度,二是電池充多飽。無論你做什麼(或不做什麼),鋰電池的總蓄電量都是不斷地在下降的,但高溫和充到飽卻會加速下降的速度。因此買一台不那麼熱情的筆電,不僅對生育能力有正面的幫助,對減緩電池的蓄電量的降低也是幫助很大的。另外,如果電腦有相關的設定的話,將電池充到八分飽能將蓄電量降低的速度減少為一半 -- 意即如果每次都將電池充到飽,一年之後本來可以跑 4 小時的電腦只能跑 2 小時的話,那每次都只將電池充到八分飽,一年之後電腦還可以跑 3 小時。小薑只知道 Panasonic 和 Thinkpad 有這樣的設定,不知道還有沒有其他廠牌有?
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只看楼主
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kikoi
楼主
沙发
转给那些担心touch电池寿命的人。
我都是想用就充,不担心这些。
2009-11-04 20:29
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刚下水的鱼
板凳
不错,看来没有必要买好个绿点充。
2009-11-05 09:08
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kikoi
楼主
地板
要是手头没有笔记本,又经常外出,有个充电器会方便点,但是我觉得那种NOKIA的就可以了
2009-11-09 19:34
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☜月夜☞
4 楼
说的是啊,一天到晚就讨论怎么充电,小心过头了
2009-11-09 19:42
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zpfnust
5 楼
繁体字看的超积累..........
文章不错 支持了
刚开始老破解 下载软件
电池用了一点点 然后冲
然后再用 再冲 不知道循环多少次了
很是肉疼啊

现在看看也无所谓了
2009-11-09 19:48
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yeank
6 楼
繁体看着累,帮转一下!


小姜上上个礼拜去工研院进行了一次访问,题材是「不会爆的锂离子电池」(猜薄膜喇叭的都猜错啦 XD)。不过在讲到怎么且阻止锂离子电池爆炸前,让我们先来了解一下锂离子电池的原理,以及为什么它会爆炸吧!

为什么用锂离子电池?

相较于其它种类的充电电池,锂离子电池有许多优点,这其中最重要的一个,就是它的能量密度。锂离子电池的电极一般是用锂化合物和石墨(纯碳)所构成,两者都是非常轻的材料,同时锂也是一个反应性非常强的元素,因此原子的键结中可以存放更多的能量。这两者相加,就意味着在现有的充电电池中,想拥有同样的蓄电量的话,锂离子电池是最轻的,适合手机、笔电、数字相机等随身物品使用。此外,锂离子没有记忆效应,也就是说锂离子电池不必先把电力放光才能再充电,而且蓄电量也不会太快减少,大约每个月减少 0.1% 的电力(算上保护回路的需求也才 5%,镍氢电池大约每个月减少 20%)。最后,它还可以历经数百次的充放电,依然生龙活虎。

但锂离子电池也有缺点。其中最主要的一个,就是它的总蓄电力(最大电量)会随着出厂时间增加而减少 -- 无论你用不用锂离子电池,出厂 2~3 年后电池的最大蓄电力都会大幅降低,甚至无法使用,因此「买了放着」是完全错误的做法。其次,锂离子电池很怕热,在高温的环境上最大蓄电量降低的效应会被加速,这部份后面会再补充。再者,锂离子电池也怕过放电,一但放电超过某个程度,电力可能会再也充不进去。当然,锂离子电池还有会爆炸的危险,这是大家都知道的。

为什么锂离子电池会爆炸?这要从它的化学性质谈起...

锂离子电池的化学




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小姜这里尽量不讲的太深入(其实是自已也不是完全懂 orz),但简单来说,锂离子电池和所有充电电池一样,都有一个正极材料和一个负极材料,在这里正极材料是通常是锂钴氧(LiCoO2),而负极材料则有很多种,最常见的石墨(碳)。充电时锂钴氧中的锂离子会游过中间的电解质,附着在负极上,而放电(上图)时则是相反,从负极的碳游回锂钴氧这一侧。


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在一颗以石墨为负极的锂离子电池里,是用一层锂钴氧,一层装有电解质的分隔物、一层石墨为一组,一组一组的迭起来。在手机电池那种薄型电池中,里面就是这样一层一层迭起来的,而在笔电里则通常是把这一片片的材料卷成圆柱状,变成像 3 号电池那样的东西。在锂离子电池中,带有最大的危险的不是两个电极,而是中间的有机电解质溶剂,以易燃的醚类最多。当电池因为任何原因短路时,电池内能量会在短时间以热的形式释放出来,点燃这些做为溶剂的醚类,引发爆炸。

过放电时锂离子会和锂钴氧直接发生反应,产生氧化锂和氧化钴。这个反应是不可逆,所以过放电的锂离子电池就等于报销了。



锂离子电池很容易爆炸吗?


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小姜在工研院得到的经验是:「怎么这么难爆啊!」在工研院,他们装了一台机器,用钻头刺穿平板状况的薄型电池,基本上必需要是新的、充饱电的电池才有最大的爆炸危险,只要是用过一段时间的电池,不仅最大电压会大为降低,而且里面使用的材料也会「钝化」,变得不那么容易反应。我们准备了一大堆旧电池准备要爆个过瘾,没有想到的是,不仅全部的旧电池都没爆掉,连全新的电池都不见得每颗都爆。这是不是说买二手的电池搞不好比较安全?XD

但是爆炸是一回事,我们从探针上的温度计还是看到了非常可怕的温度,电池短路后内部温度常常在 100 度以上,想必这么烫一块东西放在裤子口袋里还是不可能舒服的吧!


锂离子电池有什么安全措施?


为了避免锂离子电池过热,甚至爆炸,现代的锂离子电池内建了许多自我保护的机制。首先,每颗锂离子电池(或在笔电的例子中,整组电池组)都内建了一颗控制芯片,这颗控制芯片会监控电池的电压(电池组的话,会监控其中每个电池的个别电压)和温度,超出设定的范围,芯片就会自动断电。此外,每颗电池还会设计排气孔,让因高温产生的气体可以顺利地排掉,不至于累积产生爆炸。

这些保护措施对没有实体受到伤害的电池来说是足够了,但如果是被破坏(例如被穿刺)的锂电池怎么办?这就是工研院新研发的 STOBA 电池的强项了。STOBA 电池在电解液内加入了一种「奈米级的高分子材料」,当受热时,这种高分子材料会聚合成一种具有隔离效果的薄膜,阻止锂离子的流动,切断暴走的短路电池继续加热电池的可能。这种技术不仅阻止电池爆炸,也阻止了电池可能过热的危险,大部份我们看到的实验,温度都没超过摄氏 60 -- 还是会烫,但至少没有引燃周围可燃物的危险。

锂离子电池怎么保养?

第一个最重要的原则:不要买电池回来备用!之前说过了,不论你有没有在用它,出厂的锂电池蓄电量都会逐渐降低,因此买回来不用的电池真的就是浪费了。同理,购买新电池的时候也要特别注意它的出厂日期,如果出厂超过一年的电池,很有可能蓄电量只剩全新电池的一半!

另外两个影响蓄电量降低的因素,一是温度,二是电池充多饱。无论你做什么(或不做什么),锂电池的总蓄电量都是不断地在下降的,但高温和充到饱却会加速下降的速度。因此买一台不那么热情的笔电,不仅对生育能力有正面的帮助,对减缓电池的蓄电量的降低也是帮助很大的。另外,如果计算机有相关的设定的话,将电池充到八分饱能将蓄电量降低的速度减少为一半 -- 意即如果每次都将电池充到饱,一年之后本来可以跑 4 小时的计算机只能跑 2 小时的话,那每次都只将电池充到八分饱,一年之后计算机还可以跑 3 小时。小姜只知道 Panasonic Thinkpad 有这样的设定,不知道还有没有其它厂牌有?
2009-11-09 20:02
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svashisb
7 楼
已屏蔽
2010-02-22 10:12
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joker-i-am
8 楼
恩恩
2010-02-22 10:18
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feitong729
9 楼
学习一下~
2010-02-22 11:51
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04250201429
10 楼
不会吧,那为什么还用锂电池呢?
2010-02-22 11:57
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