鋰離子電池

1、基本介紹

鋰離子電池(Lithiumbattery)是指電化學(xué)體系中含有鋰(包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物)的電池。鋰離子電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)的幾個國家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

2、工作原理

(1)鋰金屬電池：

鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

放電反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2

(2)鋰離子電池：

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。

充電正極上發(fā)生的反應(yīng)為

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)

充電負極上發(fā)生的反應(yīng)為

6C+XLi++Xe-=LixC6

充電電池總反應(yīng)：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

鋰離子電池工作原理：鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，它重要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài);放電時則相反。

鋰離子電池放電是靠化學(xué)的氧化還原反應(yīng)。放電時，也就是我們在使用電池消耗電量的時候，它的正極會嵌入鋰離子，負極鋰離子落嵌。充電的時候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池出現(xiàn)電量。

在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子(Li)充當(dāng)了電能的搬運載體，周而復(fù)始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是鋰離子電池的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環(huán)過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。

鋰離子電池容量衰減的原因：鋰離子電池是繼鎘鎳電池、氫鎳電池之后發(fā)展最快的二次電池.鋰離子電池的應(yīng)用很大程度取決于其充放電循環(huán)的穩(wěn)定性,和其它二次電池相同,鋰離子電池在循環(huán)過程中容量衰減是不可防止的。

1、正極材料的結(jié)構(gòu)變化

正極材料是鋰離子電池的重要來源，當(dāng)鋰離子電池從正極中脫出時候，為了維持材料電中性狀態(tài)，金屬元素必然會被氧化到達一個高的氧化態(tài)，這里就伴隨了組分的轉(zhuǎn)變。組分的轉(zhuǎn)變?nèi)菀讓?dǎo)致相轉(zhuǎn)移和體相結(jié)構(gòu)的變化。電極材料相轉(zhuǎn)變可以引起晶格參數(shù)的變化及晶格失配，由此出現(xiàn)的誘導(dǎo)應(yīng)力引起晶粒的破碎，并引發(fā)裂紋的傳播，造成材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生機械破壞，從而引起電化學(xué)性能衰減。

2、負極材料結(jié)構(gòu)

鋰離子電池常用的負極材料有碳材料、鈦酸鋰等，本文以典型負極石墨進行分析。鋰離子電池容量的衰減第一次發(fā)生于化成階段，在這個階段會在負極表面形成SEI，消耗部分鋰離子。隨著鋰離子電池使用，石墨結(jié)構(gòu)的變化也會造成電池容量下降。

雖然保持了石墨的形貌結(jié)構(gòu)，但是其(002)晶面的半高寬變大，導(dǎo)致c軸方向的晶粒尺寸變小，晶體結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致碳材料出現(xiàn)裂紋，進而破壞負極表面的SEI膜并促進SEI膜的修復(fù)，SEI膜的過度生長消耗活性鋰，因此造成了鋰離子電池的不可逆容量衰減。

3、電解液的氧化分解與界面反應(yīng)

電解液的性質(zhì)顯著影響鋰離子電池的比容量、壽命、倍率充放電性能、工作溫度范圍以及安全性能等。電解液重要包括溶劑、電解質(zhì)和添加劑三個部分。溶劑的分解、電解質(zhì)的分解都會導(dǎo)致鋰離子電池容量的損失。電解液的分解和副反應(yīng)是鋰離子電池容量衰減的重要因素，無論采用何種正負極材料、何種工藝，隨著鋰離子電池循環(huán)使用，電解液的分解及與正負極材料間發(fā)生的界面反應(yīng)都會造成容量的衰減。

4、正極過充反應(yīng)

當(dāng)正極活性物相關(guān)于負極活性物比例過低時，容易發(fā)生正極過充電。鋰離子電池正極過充導(dǎo)致容量損失重要是由于電化學(xué)惰性物質(zhì)(如Co3O4，Mn2O3等)的出現(xiàn)，破壞了電極間的容量平衡，其容量損失是不可逆的。

5、電極不穩(wěn)定性

在充電時正極活性物質(zhì)不穩(wěn)定會與電解質(zhì)反應(yīng)造成容量降低。影響正極材料不穩(wěn)定因素有正極材料結(jié)構(gòu)缺陷、炭黑含量、充電電勢過高，其中正極材料結(jié)構(gòu)缺陷是影響因素中的重中之重。

在現(xiàn)代科技日益發(fā)展的時代，鋰離子電池已經(jīng)成為了我們生活中不可或缺的一部分。從智能手機、筆記本電腦到電動汽車，鋰離子電池為我們的日常生活提供了便捷的能源。那么，鋰離子電池究竟是什么?它是如何工作的?本文將為您揭開鋰離子電池的神秘面紗。

1. 什么是鋰離子電池?

鋰離子電池是一種可充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間的移動來工作。與其他類型的電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度、更長的循環(huán)壽命和更低的自放電率，這使得鋰離子電池成為了許多便攜式電子設(shè)備和電動汽車的理想選擇。

2. 鋰離子電池的組成

鋰離子電池主要由正極、負極、電解質(zhì)和隔膜組成。正極通常由鋰化合物(如鋰鈷氧化物、鋰鐵磷酸鹽等)制成，負極則由石墨或硅等材料制成。電解質(zhì)是一種能夠傳導(dǎo)鋰離子的液體或固體物質(zhì)。而隔膜是一種薄膜，用于隔離正負極，防止短路。

3. 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池的工作原理主要依賴于鋰離子在正極和負極之間的移動。在充電過程中，鋰離子從正極通過電解質(zhì)和隔膜移動到負極，同時電子從正極經(jīng)過外部電路移動到負極。這樣，電池儲存了能量。在放電過程中，鋰離子從負極移動回正極，電子則通過外部電路從負極流向正極，為設(shè)備提供電能。

4. 鋰離子電池的優(yōu)點

鋰離子電池具有許多優(yōu)點，使其成為現(xiàn)代電子設(shè)備的理想能源。首先，鋰離子電池具有較高的能量密度，這意味著它們能夠在相對較小的體積和重量下儲存更多的能量。其次，鋰離子電池的循環(huán)壽命較長，一般可達數(shù)百至數(shù)千次充放電循環(huán)。此外，鋰離子電池的自放電率較低，即使在長時間不使用的情況下，電池的電量損失也相對較小。

5. 鋰離子電池的缺點和挑戰(zhàn)

盡管鋰離子電池具有許多優(yōu)點，但它們也有缺點，并面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，鋰離子電池的成本相對較高，這主要是由于鋰和其他稀有金屬的價格較高。其次，鋰離子電池在高溫或過度充放電的情況下可能存在安全隱患，如熱失控、短路等。此外，鋰離子電池的循環(huán)壽命和性能會隨著時間的推移而逐漸降低。