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锂离子电池:类型，测试和用途

2022年9月15日

从智能手机、笔记本电脑到电动自行车和汽车，锂离子电池重新定义了我们发电的方式。随着能源格局转向更清洁、更环保的替代品在美国，锂离子电池已经成为一项令人兴奋的技术。

随着研究和产品开发团队不断取得突破，该行业正在蓬勃发展。继续往下读，了解更多关于锂离子电池的知识，以及它们是如何彻底改变无数行业的。

锂离子电池的解剖结构

首先，让我们仔细看看这项技术是如何工作的。锂离子电池有六个主要组成部分:

阳极
阴极
分隔符
电解液
正电流收集器
负集流器

所有这些工作一起为电池供电，并将能量输送到源头。那么，这一切是如何运作的呢?在下面找到更多信息。

锂离子电池是如何工作的

所有锂离子电池具有两个电极-阳极和阴极。它们储存锂离子。两个电极之间的隔板防止阳极和阴极相互接触。隔膜还有助于离子在细胞内的运输。

在设计锂离子电池隔膜时，找到机械耐用性和孔隙率的正确平衡是很重要的。这确保了隔膜可以有效地防止两个电极之间的物理接触，而不会阻碍锂离子的运动。分离阳极和阴极是至关重要的，因为两者之间的物理接触通常会导致电池短路和过热。这不仅会破坏电池，还会引发自燃等问题。

电解液的作用

电池中任何剩余的空间都被电解液所占据。这通常是由锂盐溶解在有机溶剂的混合物。电解液帮助锂离子在正极和负极之间过渡。这有助于提高功率，加快充电时间，并延长锂离子电池的整体寿命。

当带正电荷的锂离子在阳极和阴极之间移动时，它们会穿过隔膜并产生自由电子。这些自由电子在阳极形成并给正集流器充电。这个正电荷会产生电流，为设备供电。当能量被消耗时，离子移动到负电流收集器。当设备插入电源时，阴极会释放锂离子。它们穿过隔板，到达阳极，并在路上产生自由电子。这样就能给电池充电并产生更多的能量。

锂离子电池的好处

可充电

锂离子电池是可充电的，可以反复使用。这使得它们成为一次性电池的成本效益和环保替代品。

轻量级

锂离子电池小巧轻便的特点使其非常适合用于手持设备。锂离子电池也可以扩大规模，用于汽车动力。

单位质量能量很高

与其他类型的电池相比，锂离子电池每单位质量提供优异的能量。

能源与电力

在评估电池的质量、性能和适用性时，能量和功率密度是两个最重要的属性

理解能量密度

能量密度描述了电池相对于其质量所能储存的能量。这个数字是用每公斤瓦时(Wh/kg)来衡量的。

理解功率密度

功率密度衡量的是电池相对于其质量所能产生的电量。它的测量单位是瓦特每千克(W/kg)。

锂离子电池测试

与大多数科技行业一样，锂离子电池行业受到严格监管。最近锂电池的流行程度激增，促使人们对锂电池相关法规进行了了解。测试有助于解决与锂离子电池相关的以下问题，并确保产品的安全性和性能如广告所述。欧博官网登录

与锂离子电池相关的问题

自放电
能量损失和功率密度
安全问题
自燃

测试单个电池组件

从电极材料的电荷到隔板的孔隙率，测试在设计和开发锂离子电池时发挥着至关重要的作用。各种分析技术被用来测试锂离子电池的各个组成部分。研究结果有助于产品开发人员提高锂离子电池的能量密度和功率密度。

例如，在最近发表在杂志上的一项研究中ACS应用能源材料，作者探索了如何使用氟化溶剂来增强锂离子电池电解质溶液并彻底改变性能。该团队写道:“这种电解质溶液的非凡电化学稳定性使其成为其他高压阴极材料的合适候选材料。”

测试方法也是保护消费者和确保锂离子电池满足健康和安全要求的重要组成部分。它们也是质量控制和保证测试的组成部分。

下面，我们将详细介绍一些用于测试锂离子电池组件的创新方法和技术。

傅里叶变换红外(FT-IR)光谱

这种先进的表征技术被用于开发高性能锂电池。它为工程师提供了有关锂离子电池中化学键及其官能团的分子水平数据。FT-IR分析和成像对于表征氧化降解尤其有用，这对锂离子电池的性能和寿命有很大影响。当电池释放能量和充电时，光谱仪用于分析粘合剂和隔膜材料的表面。

美国科技公司PerkinElmer是FT-IR技术的全球领导者。下一代珀金埃尔默Frontier™光谱仪系列提供了一套先进的功能，旨在帮助工程师开发最先进的锂离子电池。附加技术，如具有衰减全反射(ATR)功能的Spotlight™400 FT-IR红外成像系统，可用于解锁超高分辨率视觉效果。这使得科学家可以使用FT-IR光谱数据来可视化锂离子材料的组成，并开发出性能优异的电池。

气相色谱质谱(GC/MS)

这种分析技术对成分测试特别有用，它为科学家提供了关于锂离子电池物理特性的深入信息。检测和量化电解溶液中的碳酸盐非常重要，因为它们对电池的性能和总寿命有很大的影响。GC/MS还用于分析其他性质，如锂离子电池产生的不同气体。这有助于科学家们更多地了解锂离子电池如何以及为什么会退化。

说到精度，PerkinElmer Clarus®SQ 8 GC/MS是一个顶级的表演者。该系统还提供了一流的恢复和线性，使科学家能够解锁超痕量检测限制。确定碳酸丙烯、碳酸甲酯、碳酸乙烯和碳酸二乙酯等环碳酸酯成分的能力有助于产品开发人员提高能量密度。这种类型的成分数据也被用于延长锂离子电池的循环寿命，并提高安全证书。

“Clarus SQ 8及其Clarifi™探测器等系统可灵活选择理想的灵敏度和动态范围，并在最大限度地提高分析物信号的同时消除背景噪声，”珀kinelmer发布的锂离子电池分析指南写道。“Clarus SQ 8 GC/MS结合市场领先的TurboMatrix™样品处理系统，用户友好的软件，以及来自珀金埃尔默的世界级服务，形成了一个集成的，完整的锂离子电池测试分析解决方案。”

电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)

从智能手机制造商到电动汽车工程师，ICP-OES广泛应用于锂离子电池行业。在选择ICP-OES系统时，应首先考虑灵敏度和分辨率。ICP-OES光谱仪尤其适用于计算锂离子电池组件的精确比例。这包括阳极和阴极，以及电解质中的添加剂和杂质。高灵敏度是至关重要的，因为即使是很小的添加剂失衡或微量杂质也会影响锂离子电池的性能。

热分析

在设计和制造锂电池时，安全性与性能同样重要。在过去的十年里，行业标准和法规急剧收紧，特别是用于手持电子设备和电动汽车的电池。

热重分析(TGA)已经成为评估锂离子电池热稳定性的有用工具。该技术还用于分析锂离子电池材料在受热时如何分解。

在锂离子电池科学家使用的所有热分析技术中，差示扫描量热法(DSC)是最有用的技术之一。量热计被用来分析分离器的熔化剖面，以及探索电解质在高温下如何分解。DSC等技术为复合聚合物电解质(CPE)等创新解决方案的开发做出了贡献。这种口径的电解质具有优异的热稳定性，以及优异的性能和功率传输。与传统的锂离子电池电解质不同，cpe克服了泄漏和自燃等安全问题。