锂离子电池

1、基本介绍

锂离子电池(Lithiumbattery)是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物)的电池。锂离子电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数的几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

2、工作原理

(1)锂金属电池：

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

放电反应：Li+MnO2=LiMnO2

(2)锂离子电池：

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

充电正极上发生的反应为

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe-=LixC6

充电电池总反应：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

锂离子电池工作原理：锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它重要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。

锂离子电池放电是靠化学的氧化还原反应。放电时，也就是我们在使用电池消耗电量的时候，它的正极会嵌入锂离子，负极锂离子落嵌。充电的时候正好相反。他这种离子的得失会形成一定的电压，使得电池出现电量。

在每一次充放电循环过程中，锂离子(Li)充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极→负极→正极来回的移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷的转移，这就是锂离子电池的基本原理。由于电解质、隔离膜等都是电子的绝缘体，所以这个循环过程中，并没有电子在正负极之间的来回移动，它们只参与电极的化学反应。

锂离子电池容量衰减的原因：锂离子电池是继镉镍电池、氢镍电池之后发展最快的二次电池.锂离子电池的应用很大程度取决于其充放电循环的稳定性,和其它二次电池相同,锂离子电池在循环过程中容量衰减是不可防止的。

1、正极材料的结构变化

正极材料是锂离子电池的重要来源，当锂离子电池从正极中脱出时候，为了维持材料电中性状态，金属元素必然会被氧化到达一个高的氧化态，这里就伴随了组分的转变。组分的转变容易导致相转移和体相结构的变化。电极材料相转变可以引起晶格参数的变化及晶格失配，由此出现的诱导应力引起晶粒的破碎，并引发裂纹的传播，造成材料的结构发生机械破坏，从而引起电化学性能衰减。

2、负极材料结构

锂离子电池常用的负极材料有碳材料、钛酸锂等，本文以典型负极石墨进行分析。锂离子电池容量的衰减第一次发生于化成阶段，在这个阶段会在负极表面形成SEI，消耗部分锂离子。随着锂离子电池使用，石墨结构的变化也会造成电池容量下降。

虽然保持了石墨的形貌结构，但是其(002)晶面的半高宽变大，导致c轴方向的晶粒尺寸变小，晶体结构的改变导致碳材料出现裂纹，进而破坏负极表面的SEI膜并促进SEI膜的修复，SEI膜的过度生长消耗活性锂，因此造成了锂离子电池的不可逆容量衰减。

3、电解液的氧化分解与界面反应

电解液的性质显著影响锂离子电池的比容量、寿命、倍率充放电性能、工作温度范围以及安全性能等。电解液重要包括溶剂、电解质和添加剂三个部分。溶剂的分解、电解质的分解都会导致锂离子电池容量的损失。电解液的分解和副反应是锂离子电池容量衰减的重要因素，无论采用何种正负极材料、何种工艺，随着锂离子电池循环使用，电解液的分解及与正负极材料间发生的界面反应都会造成容量的衰减。

4、正极过充反应

当正极活性物相关于负极活性物比例过低时，容易发生正极过充电。锂离子电池正极过充导致容量损失重要是由于电化学惰性物质(如Co3O4，Mn2O3等)的出现，破坏了电极间的容量平衡，其容量损失是不可逆的。

5、电极不稳定性

在充电时正极活性物质不稳定会与电解质反应造成容量降低。影响正极材料不稳定因素有正极材料结构缺陷、炭黑含量、充电电势过高，其中正极材料结构缺陷是影响因素中的重中之重。

在现代科技日益发展的时代，锂离子电池已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。从智能手机、笔记本电脑到电动汽车，锂离子电池为我们的日常生活提供了便捷的能源。那么，锂离子电池究竟是什么?它是如何工作的?本文将为您揭开锂离子电池的神秘面纱。

1. 什么是锂离子电池?

锂离子电池是一种可充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。与其他类型的电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度、更长的循环寿命和更低的自放电率，这使得锂离子电池成为了许多便携式电子设备和电动汽车的理想选择。

2. 锂离子电池的组成

锂离子电池主要由正极、负极、电解质和隔膜组成。正极通常由锂化合物(如锂钴氧化物、锂铁磷酸盐等)制成，负极则由石墨或硅等材料制成。电解质是一种能够传导锂离子的液体或固体物质。而隔膜是一种薄膜，用于隔离正负极，防止短路。

3. 锂离子电池的工作原理

锂离子电池的工作原理主要依赖于锂离子在正极和负极之间的移动。在充电过程中，锂离子从正极通过电解质和隔膜移动到负极，同时电子从正极经过外部电路移动到负极。这样，电池储存了能量。在放电过程中，锂离子从负极移动回正极，电子则通过外部电路从负极流向正极，为设备提供电能。

4. 锂离子电池的优点

锂离子电池具有许多优点，使其成为现代电子设备的理想能源。首先，锂离子电池具有较高的能量密度，这意味着它们能够在相对较小的体积和重量下储存更多的能量。其次，锂离子电池的循环寿命较长，一般可达数百至数千次充放电循环。此外，锂离子电池的自放电率较低，即使在长时间不使用的情况下，电池的电量损失也相对较小。

5. 锂离子电池的缺点和挑战

尽管锂离子电池具有许多优点，但它们也有缺点，并面临着一些挑战。首先，锂离子电池的成本相对较高，这主要是由于锂和其他稀有金属的价格较高。其次，锂离子电池在高温或过度充放电的情况下可能存在安全隐患，如热失控、短路等。此外，锂离子电池的循环寿命和性能会随着时间的推移而逐渐降低。