2022年手机中的科学技术 .pdf

手机中的科学技术应用化学 1003 班陈云静摘要：伴随着手机技术的发展 ,手机电池也经历了“改朝换代” 。从最初的 NiCd和NiMH 电池到 Li离子电池 ,再到 Li离子聚合物电池，更大能量密度,更小体积 ,更高寿命的手机电池有力的支持了手机的发展。【1】镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cadmiun Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery）是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。 【2】由于锂离子电池具有高电压、 高容量的重要优点， 且循环寿命长、 安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。关键词： 镍镉电池锂离子电池电池材料电池优缺点正文：随着科学技术的飞速发展， 人类的物质生活越来越丰富， 从而会有更高的追求。手机就是满足人们物质生活的一种工具之一，它在信息交流、通讯等方面，给人类带来极大的方便，让人们的生活更丰富、更快捷、更高效。然而，手机之所以成为人们手中的“宠儿” ，源于它不断改进的功能、材料等，在给人们带来便利之时，也逐渐减少对人类的危害（如手机辐射）。电子信息时代使对移动电源的需求快速增长，这就促进了手机电池的发展。从最初的 NiCd和 NiMH 电池到 Li离子电池 ,再到 Li 离子聚合物电池， 更大能量密度,更小体积 ,更高寿命的手机电池有力的支持了手机的发展。镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cadmiun Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery）是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。它的构造原理是，于负极的镉(Cd)和氢氧化钠(NaOH) 中的氢氧根离子 (OH-)化合成氢氧化镉，并附着在阳极上，同时也放出电子。电子沿着电线至阴极， 和阴极的二氧化镍与氢氧化钠溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子， 氢氧化镍会附著在阳极上， 氢氧根离子则又回到氢氧化钠溶液中，故氢氧化钠溶液浓度不会随着时间而下降。放电反应式：负极反应：Cd+2OH- Cd(OH)2+2e- 正极反应：2e-+NiO2+2H2O Ni(OH)2+2OH- 总反应：Cd+NiO2+2H2O Cd(OH)2+Ni(OH)2 充电反应式：正极反应： Ni(OH)2+2OH- 2e-+NiO2+2H2O 负极反应： Cd(OH)2+2e- Cd+2OH- 总反应：Cd(OH)2+Ni(OH)2 Cd+NiO2+2H2O 【3】镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应， 其主要作用是增强导电性。 负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中， 加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比， NiCd电池的自放电率 (即电池不使用时失去电荷的速率)适中。镍镉电池最致命的缺点是， 在充放电过程中如果处理不当， 会出现严重的“记忆效应” ，使得服务寿命大大缩短。所谓“记忆效应”就是电池在充电前，电池的电量没有被完全放尽， 久而久之将会引起电池容量的降低，在电池充放电的过程中（放电较为明显） ，会在电池极板上产生些许的小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。当然，我们可以通过掌握合理的充放电方法来减轻“记忆效应” 。此外，镉是有毒的，因而镍镉电池不利于生态环境的保护。众多的缺点使得镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。 【4】电子信息时代使对移动电源的需求快速增长。由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、 国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。锂离子电池 (Li-ion Batteries) 是锂电池发展而来。在介绍Li-ion 之前，先介绍锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。 电池组装完成后电池即有电压 ,不需充电 .这种电池也可能充电 ,但循环性能不好 ,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶 ,造成电池内部短路 ,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。它的工作原理是， 当对电池进行充电时， 电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion 的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。 【5】锂离子电池之所以能够成为近几年手机电池的研究热点，源于它具有一些突出的优点：（1） 电压高，单体电池的工作电压高达3.6-3.9V，是 Ni-Cd、Ni-H 电池的 3倍；（2）比能量大，目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg 和 240-300Wh/L（2 倍于 Ni-Cd ，1.5 倍于 Ni-MH）,未来随着技术发展 ,比能量可高达 150Wh/kg 和400 Wh/L；（3） 循环寿命长 ,一般均可达到 500 次以上 ,甚至 1000 次以上 .对于小电流放电的电器 ,电池的使用期限将倍增电器的竞争力；（4） 安全性能好 ,无公害 ,无记忆效应 .作为 Li-ion 前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路 ,缩减了其应用领域： Li-ion 中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素： 部分工艺（如烧结式） 的 Ni-Cd电池存在的一大弊病为 “记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion 根本不存在这方面的问题；（5） 自放电小，室温下充满电的Li-ion 储存 1 个月后的自放电率为10%左右，大大低于 Ni-Cd的 25-30%，Ni、MH 的 30-35%；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - （6）可快速充放电， 1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上；（7）工作温度范围高， 工作温度为 -2545C，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到 -4070C。不过，每个失误都有它的两面性，锂离子电池也存在着一定的缺点，如：（1） 电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高（ Co的资源较少） ，电解质体系提纯困难。（2） 不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。（3） 需要保护线路控制。其中一种是过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解， 内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在 4.1V-4.2V的恒压下充电。另一种是过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 【6】目前,Li离子电池已经成为一种很成熟的手机电池技术,它具有足够大的容量来满足 GSM 、CMDA以及其他款手机的通信功能。 但是随着手机设计的性能不断增加和改进以及 3G手机的引进 ,对于电池容量的要求越来越高。 为了不断满足电池容量的要求 ,一方面在现有基础上不断提高工艺和设计水平,提高电池的容量 ,另一方面也要不断寻找新的原材料和新技术来获取更高的电池能量密度。电池的容量和性能将取得更大的进步,更好的满足市场的需求。附：参考资料：【1】【 6】 ：http:/ 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -