锂电池分析-充放电与循环伏安_百度文库

1、鋰電池分析-充放電與循環伏安微電能實驗室一. 實驗目的：近年來各種電子機器之小型、輕量化及手提化之進展，從經濟性，環保性及便利性上著眼，一次電池用完即丟的缺點將被取代，也促進了高性能二次電池之研發。故本課程將針對鋰離子二次電池作簡單介紹，使同學們了解鋰離子二次電池工作原理，並且透過本實驗實際操作，使同學們對於放電曲線圖、循環伏安測試圖形有進一步的認知。二. 實驗原理：鋰電池（Lithium Battery ）的構想最早出現於1947年，由法國工程師Hajek 所提出，第一代的鋰電池採用鋰金屬作為負極，並以LiCoO 2作為正（陰）極材料，雖然鋰金屬提供了重量輕及高操作電壓之優點，但是因為高成本

2、及電池反覆充放過程中，鋰離子會在鋰金屬表面反覆地進行電沉積（Electro-deposition ）與電溶解（Electro-dissolution ），形成樹枝狀結晶物（Dendritic Structure）與充放電反應之呆鋰（Dead Li）的現象。當樹枝狀結晶物累積至一定程度後，有可能會刺穿隔離膜，穿越過電解質液，並與正極相接觸，進而造成電池內部短路，放出大量的反應熱，導致電池失效甚至引起爆炸。由於使用鋰金屬作為負極會有電池性能欠佳、使用安全上的疑慮及成本過高的考量，因此許多取代鋰金屬的方案在1980、1990陸續被提出，在1980 年，Armand 12提出“搖椅式電池”（Rocki

3、ngChair Battery , RCB ）的概念，並採用嵌入式非金屬化合物負極材料（如碳材）來取代鋰金屬，得以大幅提昇鋰電池之操作安全性。由於石墨態碳材具有層狀架構，因此負極表面發生的反應不再是單純的鋰金屬氧化還原反應，而是鋰離子的嵌入（Intercalation ）及嵌出（Deintercalation ）的機制。圖2.2 為此種鋰離子電池之充放電原理。當電池進行充電、放電時，鋰會以離子型態進行電化學反應：充電過程鋰離子依循由正極（陰極）之活化區嵌出，經由電解液再嵌入負極（陽極）；放電過程鋰離子再遵循由負極嵌出，經由電解液以嵌入正極，形成一重覆充放電的可逆機制，其中鋰離子於兩極之間來回搖

4、擺，故稱為搖椅式電池（RCB ）。鋰離子電池的材料系統在已商業化成功的鋰離子二次電池中，其正極與負極皆使用層間化合物，而這些層間化合物必須要能夠容許鋰離子的進出，而不使材料結構發生不可逆的變化，如此才能讓鋰離子在充放電過程中往返於正負極之間如圖一，充電反應式可寫為：正極 LiCoO 2- Li1-x CoO 2 + xLi+ + xe-負極6C + xLi+ + xe- -Lix C 6 全反應 6C + LiCoO2- Lix C 6+ Li1-x CoO 2 圖一 層狀LiCoO 2充放電時Li 離子工作原理示意圖充放電過程：充電時，電子由充電器外部經過負極的碳材料，而同時正極材料的鋰離子

5、則離開正極經過電解液進入負極；放電時，電子和鋰離子則反向而行。正常使用下，鋰離子電池的充放電循環壽命可達 500 次（ 即 500 次時，電容量仍在原容量 80 以上 ）。鋰離子電池充飽時，在無負載時電壓為 4.14.2V ，電位若是低於 3.6V 左右會產生電壓陡降，一般手機會以沒電來表示，事實上是電壓不足不能再工作了。好的座充是依照鋰電池特性而設計的。第一段充電是定電流充電，等到快充飽時再以定電壓4.14.2V 充電的方式讓電池達到最佳狀態。循環伏安法(Cyclic Voltammetry, CV ：乃是以控制電極電位，以三角形電波之電位輸入待測物中，待電位線性增加至某一設定值後，再反向操

6、作至原電位，電位改變期間若有氧化或還原反應發生，則會有電流產生，而可得一電流對電位之關係。循環伏安法的分析應用於電池研究，主要可利用在不同操作條件下（如循環次數、掃描速度、不同溫度及掃描電壓範圍等），觀察電池電極材料的氧化還原（即充放電）反應機構、電池的循環效益（可逆性），活性物質結構的改變、亦可測量電化學反應發生時的擴散係數與電子轉移數等。三. 實驗儀器： AUTOLAB 充放電儀器(PGSTAT30（參閱圖二）、LiMn 2O 4鈕釦型電池。圖二 AUTOLAB 充放電儀器(PGSTAT30四. 實驗步驟：4-1. 電池充放電性能測試 ：本實驗主要為採用二段式充電方法，先以定電流500A

7、/ cm2充電至4.5V ，再以定電壓4.5V 充電，電流隨著定電壓充電過程的繼續而逐步減小，當減小至0.01C 時，則認定為充電終止。最後便以定電流（5A / cm2）放電模式進行測試電池元4-2. 循環伏安測試 ：本實驗的循環伏安法（Cyclic V oltammetry , SSCV ）測試是在1 M LiPF61/EC-EMC (1:2 電解質液系統中，以Li + / Li 作為參考及對應電極。掃描速率：0.2 mV/sec，掃描電位範圍3.24.5V 。 V o l t a g e v s . L i /L i +(v o l t a g e Capacity (mAh/g圖三 0V

8、DC 大氣退火6000.00015 0.00010 0.00005 0.00000 4.05V 4.17V I -0.00005 -0.00010 -0.00015 -0.00020 4.10V 3.97V 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 + 4.2 4.4 4.6 E/V vs. Li/Li (voltage 圖四 經大氣退火 600後 0VDC 的 LiMn2O4 鈕釦型電池之循環伏安測試圖 五、實驗結果 五、實驗結果 1.詳細紀錄實驗操作流程及注意事項。 2.紀錄充放電與循環伏安各項條件。 六、問題與討論 1.討論一次電池與二次電池的不同點。 2.名詞解釋：正極、負極、能量密度、過充(放電。 七、參考文獻 、參考文獻 1.可充電電池技術大全，孫清華編譯，全華科技圖書股份有限公司。 2