詳解鋰離子電池的充放電原理及保養(yǎng)方法
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-09 16:40
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鋰離子電池內(nèi)部包含兩個電極：正極和負極，提供了氧化還原反應發(fā)生的場所；電極由離子導通、電子絕緣的隔膜材料隔開；電解液包含鋰鹽（通常為LiPF6)和有機溶劑。放電過程中，鋰在負極上失電子形成Li+，而Li+在正極上得電子形成鋰，同時從鋰離子過渡金屬層狀氧化物物中脫出，充電過程則相反，得/失的電子通過外電路進行傳遞即形成電流。
誰能替代“鋰”
研究人員正試圖尋找可替代鋰的材料，以擺脫高性能電池對鋰的依賴。這種材料應比鋰更常見也更易獲得，制造出的電池還應滿足“充電15秒，通話一星期”。
盡管如同大海撈針，但是人們已有所收獲。研究人員開始研制以鎂離子替代鋰離子實現(xiàn)電荷的存儲與輸運的鎂離子電池原型。由于鎂離子可攜帶兩個電子，是鋰離子攜帶電子的兩倍，因此鎂離子電池可以儲存更多的電能。但是當鎂離子與電子結(jié)合時，鎂離子就擁有了兩倍的負電荷，而負電荷量越多，吸引其他鎂離子的能力也就越強。因此當鎂離子攜帶著兩倍的電荷，在充滿電解液的兩極之間運動時，速度自然慢了很多。這將直接影響電池充放電的時間，使鎂離子電池的性能不盡如人意。這樣，尋找既能發(fā)揮鎂離子電池全部性能又利于鎂離子定向移動的電解液-電極組合方式，成為當務之急。
相比鋰，鎂的開采成本較低，同時利用價值很大。豐田汽車公司目前已經(jīng)在相關技術上投入了巨資，而埃隆·馬斯克也曾多次在公開場合表示，特斯拉汽車公司及其超級電池工廠已經(jīng)做好了擁抱鎂離子電池的準備：從傳統(tǒng)鋰離子電池到鎂離子電池的轉(zhuǎn)型，電池生產(chǎn)工藝并不會受到太大影響，工廠只需要更新相應的流水線作業(yè)工具，即可輕松造出兩倍能量密度的鎂離子電池。
通過對鋰離子電池的性能、安全以及成本等因素進行改進優(yōu)化后，鋰離子電池也被視為純電動車、混合電動汽車以及插電式混合動力車等電動汽車中新一代動力系統(tǒng)的“潛力股”。如今，鋰離子電池的研究主要有如下幾個方向：一是通過材料以及設計的改善，使電池具有更高的比能量(即單位質(zhì)量或體積的材料具有更高的容量)以及更長的循環(huán)壽命（對于電動車意味著同樣的質(zhì)量具有更長的續(xù)駛里程）；二是對鋰離子電池安全性的改善。近期的數(shù)次電動汽車起火或者自燃事件將鋰離子電池技術一次又一次地推到了風口浪尖，因此，對于鋰離子電池安全性的研究就成了一個迫在眉睫的熱點問題。隨著固態(tài)電解質(zhì)材料的進步，科學家認為固態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池能夠在一定程度上解決鋰離子電池的安全性問題。
變身“定時炸彈”？這要從結(jié)構說起
鋰離子電池負極材料按其組分分類，可分為碳材料和非碳材料。石墨類碳材料包括天然石墨和人造石墨，它們具有良好的層狀結(jié)構(層間距為0.3354納米)。鋰離子可從石墨的端面嵌入石墨層中，形成LiC6層間化合物；嵌鋰之后，石墨的層間距離有所增加(LiC6層間距離為0.370納米)。
鋰離子電池在充放電過程中，負極進行鋰離子的嵌入和脫出；因石墨表面存在較強的還原性能，在首次嵌入鋰離子過程中，電解液會在石墨的表面形成一層固體電解質(zhì)界面（SEI)膜，SEI膜的存在極大地減緩電解液在負極的還原，從而維持電池的電化學性能，介于該電解質(zhì)界面膜的尺度為納米級，因此膜的結(jié)構和狀態(tài)對鋰離子電池的性能有較大的影響。
鋰離子電池的正極
鋰離子電池過渡金屬氧化物正極材料具有鋰離子嵌入及脫出的一維、二維或三維通道，而本身的骨架結(jié)構在鋰嵌入及脫嵌過程中保持不變。按目前使用的正極材料的結(jié)構劃分，主要分為三類：層狀結(jié)構、尖晶石結(jié)構、橄欖石結(jié)構。層狀結(jié)構（LiCoO2、LiNiO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiAl0.05Co0.15Ni0.8O2等）為二維的鋰離子電池擴散通道；尖晶石型結(jié)構（LiMn2O4及高電壓的鋰鎳錳氧化物）為三維擴散通道；橄欖石型結(jié)構（LiFePO4、LiMnPO4及其金屬位摻雜材料等）為一維擴散通道。其中，克容量比較高的為富鋰錳基正極材料和鎳鈷鋁酸鋰。不同正極材料也表現(xiàn)出不同的充放電特征。
