詳解鋰電池的技術發(fā)展及工作原理
來源：未知
2019-04-23 17:09
點擊量：次
鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池。而真正的鋰電池由于危險性大，很少應用于日常電子產品。
鋰離子電池是一種充電電池，它主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：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現代高性能電池的代表。
鋰離子電池的工作原理
鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。
當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。
一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內部的電化學反應需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產生泡沫，反而不滿。
對電池來說，正常使用就是放電的過程。
鋰電池放電需要注意幾點：
第一，放電電流不能過大，過大的電流導致電池內部發(fā)熱，有可能會造成永久性的損害。在手機上，這個倒是沒有問題的，可以不考慮。
第二，絕對不能過放電！鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導致電池報廢。好在手機電池內部都已經裝了保護電路，電壓還沒低到損壞電池的程度，保護電路就會起作用，停止放電。從圖上可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。
鋰離子電池結構
正極：活性物質，導電劑、溶劑、粘合劑、基體。
電池放電時從外電路獲得電子的電極,此時電極發(fā)生還原反應。通常是電位高的電極。鋰離子電池中的鈷酸鋰、錳酸鋰電極等。
負極：活性物質（石墨、MCMB、CMS)，粘合劑、溶劑、基體。
電池放電時向外電路輸送電子的電極，此時電極發(fā)生氧化反應。通常是電位低的電極，鋰離子電池中石墨電極。
隔膜
隔膜是放置于兩極之間，作為隔離電極的裝置，藉以避免兩極上的活性物質直接接觸而造成電池內部的短路。但隔膜仍需能讓帶電離子通過，以形成通路。
隔膜要求：
1、離子透過度大
2、機械性強度適當
3、本身為絕緣體
4、不與電解液及電極發(fā)生反應
材質：單層PE（聚乙烯）或者三層復合PP（聚丙烯） +PE+PP
厚度：單層一般為0.016～0.020mm，三層一般為0.020～0.025mm
電解液
外殼五金件（鋼殼、鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片、絕緣膠帶）
鋰離子電池電芯原材料
正極材料
正極材料在鋰電池中市場容量最大、附加值較高，大約占鋰電池成本30%，毛利率低則15%，高則70%以上。
目前已批量應用于鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰以及磷酸鐵鋰。
鎳酸鋰電池安全性最差（過充易起火），高溫耐受度最低（高溫分解），合成難度最高。
鈷酸鋰最早實現商業(yè)化應用，技術發(fā)展至今已經很成熟，并已廣泛應用在小型低功率的便攜式電子產品上，如手機、筆記本電腦和數碼電子產品等。
磷酸鐵鋰作為鋰離子電池用正極材料具有良好的電化學性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結構穩(wěn)定。同時，該材料無毒、無污染、安全性能好、可在高溫環(huán)境下使用、原材料來源廣泛等優(yōu)點，是目前電池界競相開發(fā)研究的熱點。
負極材料
負極材料占鋰電成本比例較低，主要有碳負極材料和非碳負極材料。
碳負極材料：被目前商品鋰離子電池廣泛采用。
優(yōu)點：安全、循環(huán)壽命較長，價格低廉、無毒。
缺點：質量比能量比較低。
非碳負極材料： 按組成分為鋰過渡金屬氮化物、過渡金屬氧化物和納米合金材料。
優(yōu)點：有很高的體積能量密度。
缺點：循環(huán)穩(wěn)定性差，不可逆容量較大，制備成本較高，尚未產業(yè)化。
負極材料未來以提高容量和循環(huán)穩(wěn)定性為目標，將碳材料與各種高容量非碳負極材料復合以開發(fā)高容量、非碳復合負極材料。
隔膜材料
市場化的隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）為主的聚烯烴（Polyolefin）類隔膜，其中PE 產品主要由濕法工藝制得，PP 產品主要由干法工藝制得。
