鋰離子電池的工作原理是怎樣的？它有哪些種類？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-14 14:47
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一、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理
所謂鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃度差電池，正負(fù)兩極由兩種鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡，放電時(shí)則相反，鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)嵌入正極（這種循環(huán)被形象的稱為搖椅式機(jī)制）。在正常的充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物層間嵌入嵌出，因?yàn)檫^(guò)渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2、LiNiO2中低自旋配合物多，晶格體積小，在鋰離子嵌入脫嵌時(shí)，晶格膨脹收縮性小，結(jié)晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此循環(huán)性能好，而且充放電過(guò)程中，負(fù)極材料化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變，因此從充放電反應(yīng)的可逆性看鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆過(guò)程。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來(lái)完成電池充放電工作的，獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。
◎當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。這就需要一個(gè)電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對(duì)鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
◎作為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物包括SnO、SnO2、錫復(fù)合氧化物SnBxpyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。
◎電解質(zhì)采用LipF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（pC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。
二、鋰離子電池的種類
根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithiumionbattery,簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IB)和聚合物鋰離子電池(polymerlithiumionbattery,簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)Ip)兩大類。
液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用LiCoO2，負(fù)極使用各種碳材料如石墨，同時(shí)使用鋁、銅作集流體。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同,鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì),而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質(zhì)來(lái)代替,這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。
由于聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質(zhì)不會(huì)像液體電解液泄露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄。也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個(gè)電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50%以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池有所提高?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)為下一代鋰離子電池。
所謂鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃度差電池，正負(fù)兩極由兩種鋰離子嵌入化合物組成。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡，放電時(shí)則相反，鋰離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)嵌入正極（這種循環(huán)被形象的稱為搖椅式機(jī)制）。在正常的充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物層間嵌入嵌出，因?yàn)檫^(guò)渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2、LiNiO2中低自旋配合物多，晶格體積小，在鋰離子嵌入脫嵌時(shí)，晶格膨脹收縮性小，結(jié)晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此循環(huán)性能好，而且充放電過(guò)程中，負(fù)極材料化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變，因此從充放電反應(yīng)的可逆性看鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆過(guò)程。人們將這種靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來(lái)完成電池充放電工作的，獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。
◎當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。這就需要一個(gè)電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對(duì)鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過(guò)渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
◎作為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物包括SnO、SnO2、錫復(fù)合氧化物SnBxpyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。
◎電解質(zhì)采用LipF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（pC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。
二、鋰離子電池的種類
根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithiumionbattery,簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IB)和聚合物鋰離子電池(polymerlithiumionbattery,簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)Ip)兩大類。
液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用LiCoO2，負(fù)極使用各種碳材料如石墨，同時(shí)使用鋁、銅作集流體。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同,鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì),而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質(zhì)來(lái)代替,這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。
由于聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質(zhì)不會(huì)像液體電解液泄露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄。也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個(gè)電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料，其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50%以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池有所提高?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)為下一代鋰離子電池。
