什么是锂离子电池 锂离子电池是如何工作的？

锂电池的研究历史可以追溯到50年代，70年代开始实用化。因其比能量高、电池电压高、工作温度范围广、储存寿命长等特点，已广泛应用于军用和民用小电器，如便携式电脑、摄录一体机、照相机、电动工具等。锂离子电池是在锂电池的基础上发展起来的一种新型电池。锂离子电池与锂电池在原理上的相同点是：均以能够嵌入和脱嵌锂离子的金属氧化物或硫化物为正极，以有机溶剂无机盐体系为电解液。不同的是，在锂离子电池中，使用可以插入和提取锂离子的碳材料代替纯锂作为负极。锂电池的负极（阳极）使用金属锂。在充电过程中，金属锂会沉积在锂负极上，生成树枝状锂。枝晶锂可能会穿透隔膜，造成电池内部短路，导致爆炸。为了克服锂电池的这一缺点，提高电池的安全性和可靠性，锂离子电池应运而生。枝晶锂可能会穿透隔膜，造成电池内部短路，导致爆炸。为了克服锂电池的这一缺点，提高电池的安全性和可靠性，锂离子电池应运而生。枝晶锂可能会穿透隔膜，造成电池内部短路，导致爆炸。为了克服锂电池的这一缺点，提高电池的安全性和可靠性，锂离子电池应运而生。

 

纯意义上的锂离子电池研究始于80年代后期。1990年，日本的Nagoura等人。开发了以石油焦为负极、钴酸锂为正极的锂离子二次电池。锂离子电池自1990年代问世以来发展迅速，目前已在小型二次电池市场占据最大份额。此外，日本索尼和法国SAFT也开发了用于电动汽车的锂离子电池。

 

工作准则

 

 锂离子电池是指正负极嵌入和逸出Li ⁺的可充电高能电池。正极一般采用锂插层化合物，如LiCoO ₂、LiNiO ₂、LiMn ₂ O ₄等，负极采用锂碳插层化合物Li _x C ₆，电解液为有机溶剂，其中锂盐（例如 LiPF ₆ , LIAsF ₆ , LiClO ₄等）被解散。溶剂主要有碳酸亚乙酯（EC）、碳酸亚丙酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和氯碳酸酯（CMC）。在充电过程中，Li+在两个电极之间来回脱嵌，形象地称为“摇椅电池”（rocking chair batteries，简称RCB），如图1所示。

图1——锂离子电池工作原理示意图

 

锂离子电池的化学表达式为：

电池响应为：

 

锂离子二次电池实际上是一种锂离子浓度差电池。充电时，Li ⁺ 从正极脱出，通过电解液嵌入负极。负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态。同时，由外电路向碳负极提供电子的补偿电荷，保证电荷平衡。放电时则相反。李⁺ 从负极中抽出并通过电解液插入到正极材料中，正极处于富锂状态。在正常充放电条件下，锂离子在层状结构碳材料和层状结构氧化物之间嵌入和脱出，一般只会引起材料层间距的变化，不会破坏其晶体结构。在充放电过程中，负极材料的化学结构基本没有变化。因此，从充放电反应的可逆性来看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。

以钴酸锂为正极的锂离子电池为例，从电池工作原理示意图可以看出，充电时，锂离子从LiCoO 2 单胞中脱出_， 离子Co ³⁺ 被氧化为Co ⁴⁺；放电时，锂离子嵌入到LiCoO ₂ 单电池中，其中的Co ⁴⁺ 变为Co ³⁺. 由于锂是元素周期表中电极电位最负的元素，电池的工作电压可高达3.6V，是镍镉、镍氢电池的3倍。例如，以LiCoO ₂ 为正极的锂离子电池理论容量高达274mA·h/g，实际容量为140mA·h/g。

锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物和锂离子浓度有关。用作锂离子电池的正极材料是过渡金属的离子复合氧化物，如LiCo ₂、LiNiO ₂、LiMn ₂ O ₄ 等。作为负极的材料，选择尽可能靠近锂电位嵌入的锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相颗粒碳等，金属氧化物包括SnO, SnO ₂ , 锡复合氧化物 SnB _x P _y O _z[x=0.4~0.6, y=0.6~0.4, z=(2+3x+5y)/2]等

Commercially available lithium-ion batteries, taking the cylindrical shape as an example (as shown in Figure 2), use LiCoO2 composite metal oxide as the positive electrode material to form the cathode on the aluminum plate. LiCoO2 capacity is generally limited to about 125mA·h/g, and the price is high, accounting for 40% of the cost of lithium-ion batteries; the negative electrode adopts layered graphite, and the anode is formed on the copper plate. The lithium-intercalated graphite belongs to the ionic graphite interlayer compound. Its compound molecular formula is LiC6 and the theoretical specific capacity is 372mA·h/g. The electrolyte adopts a mixed solvent system of LiPF6's ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and low-viscosity divinyl carbonate (DEC) and other alkyl carbonates. The diaphragm adopts polyolefin microporous membrane, such as polyethylene (PE), polypropylene (PP) or its composite membrane, especially the PP/PE/P three-layer diaphragm not only has a lower melting point, but also has a higher puncture resistance strength, which plays a role of heat insurance. The outer shell is made of steel or aluminum, and the cover structure has the function of explosion-proof and power-off. At present, there are also flexible packaging batteries that use polymer as the outer shell on the market.

图2——圆柱形锂离子电池结构示意图

 

正极锂离子嵌入反应式为：

LiCoO ₂ →xLi ⁺  +Li _1-X CoO ₂ +xe

 

阳极采用碳电极。理论上，每6个碳原子可以吸附1个锂离子。锂离子插入反应式为：

xe+xLi ⁺  +6C→Li _x C ₆

 

锂离子电池的主要特点

 

锂离子电池的优势体现在容量大、工作电压高。容量是同类镉镍电池的两倍，更适合长期通讯；而通常的单体锂离子电池电压为3.6V，是镍镉、镍氢电池的3倍。

 

它具有很强的电荷保持能力和宽工作温度范围。在（20±5）℃下开路存放30天后，电池在室温下的放电容量大于额定容量的85%。锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在20~+55℃的温度下工作，其高温放电性能优于其他类型的电池。

 

循环寿命长。锂离子电池使用碳阳极。在充放电过程中，碳负极不会生成枝晶锂，可以避免因枝晶锂内部短路而损坏电池。连续充放电1200次后，电池容量仍不低于额定值的60%，远高于其他类型电池，长期使用经济。

 

安全性高，充放电安全快速。与锂金属电池相比，锂离子电池具有防短路、防过充过放、抗冲击（10kg重量从1m高处自由落体）、抗震动、枪击、针刺（刺穿）等特点)、不起火、不爆炸等；由于正极采用特殊的碳电极代替金属锂电极，可以快速充放电，可以1C的充电倍率进行充放电，安全性能大大提高。

 

无环境污染。该电池不含镉、铅、汞等有害物质，是清洁的“绿色”化学能源。

 

没有记忆效应。可随时充放电反复使用。尤其是在战时和紧急情况下，更显示出其卓越的性能。

 

体积小、重量轻、比能高。一般锂离子电池的比能量可以达到镍镉电池的两倍以上。与同容量的镍氢电池相比，体积可缩小30%，重量可减轻50%，有利于便携式电子设备的小巧轻便。

 

锂离子电池的主要缺点如下。

①锂离子电池内阻高。由于锂离子电池的电解液是有机溶剂，其电导率远低于镍镉电池和镍氢电池，因此锂离子电池的内阻比镍大11倍左右-镉和镍氢电池。例如，直径为18mm、长度为50mm的单体电池阻抗约为90mΩ。

②工作电压变化大。当电池放电到额定容量的80%时，镍镉电池的电压变化很小（20%左右），而锂离子电池的电压变化比较大（40%左右）。这对于电池供电的设备来说是一个严重的缺点，但是由于锂离子电池的放电电压变化很大，因此很容易以此检测电池的剩余电量。

_{③成本高，主要是正极材料LiCoO 2}的原料价格 高。

④必须有专门的保护电路，防止过充。

⑤与普通电池的兼容性差。由于工作电压高，仅用一节锂离子电池就可以代替普通三节电芯的普通电池。

 

与其优点相比，锂离子电池的这些缺点并不是主要问题，尤其是对于一些高科技、高附加值的产品。因此，具有广泛的应用价值。世界上许多大公司都在争相加入该产品的研发行列，如索尼、三洋、东芝、三菱、富士通、日产、TDK、佳能、Forever、贝尔、富士、松下、日本电报电话、三星等。目前主要应用领域为手机、笔记本电脑、微型相机、IC卡、电子翻译机、车载电话等电子产品。此外，其他重要领域也正在被渗透。当然，如上所述，它也有一些缺点，