鋰離子電池的化學解析
來源：未知
2019-02-20 13:46
點擊量：次
化學解析
編輯概述
和所有化學電池一樣，鋰離子電池也由三個部分組成：正極、負極和電解質(zhì)。電極材料都是鋰離子可以嵌入(插入)/脫嵌(脫插)的。
正極
正極材料：如上文所述，可選的正極材料很多，主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照：
|
正極材料
|
平均輸出電壓
|
能量密度
|
|
LiCoO2
|
3.7 V
|
140 mAh/g
|
|
Li2MnO3
|
3.7 V
|
100 mAh/g
|
|
LiFePO4
|
3.2 V
|
130 mAh/g
|
|
Li2FePO?F
|
3.6 V
|
115 mAh/g
|
正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。充電時：LiFePO4→ Li1-xFePO4 + xLi ++ xe- 放電時：Li1-xFePO4+ xLi ++ xe- →LiFePO4
負極
負極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。 負極反應：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。充電時：xLi + xe + 6C →LixC6 放電時：LixC6 → xLi + xe + 6C
大體分為以下幾種：
第一種是碳負極材料：實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。
第二種是錫基負極材料：錫基負極材料可分為錫的氧化物和錫基復合氧化物兩種。氧化物是指各種價態(tài)金屬錫的氧化物。沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
第三種是含鋰過渡金屬氮化物負極材料，沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
第四種是合金類負極材料：包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂基合金和其它合金 ，沒有商業(yè)化產(chǎn)品。
第五種是納米級負極材料：納米碳管、納米合金材料。
第六種納米材料是納米氧化物材料：根據(jù)2009年鋰電池新能源行業(yè)的市場發(fā)展最新動向，諸多公司已經(jīng)開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前傳統(tǒng)的石墨，錫氧化物，納米碳管里面，極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數(shù)。
電解質(zhì)溶液
溶質(zhì)：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。溶劑：由于電池的工作電壓遠高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機溶劑常常在充電時破壞石墨的結構，導致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solid electrolyte interphase，SEI)導致電極鈍化。有機溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。
導電涂層
電池涂碳鋁箔(導電涂層）
涂碳鋁箔在鋰離子電池應用中的優(yōu)勢
1、抑制電池極化，減少熱效應，提高倍率性能；
2、降低電池內(nèi)阻，并明顯降低了循環(huán)過程的動態(tài)內(nèi)阻增幅；
3、提高一致性，增加電池的循環(huán)壽命；
4、提高活性物質(zhì)與集流體的粘附力，降低極片制造成本；
5、保護集流體不被電解液腐蝕；
6、改善磷酸鐵鋰、鈦酸鋰材料的加工性能。
導電涂層
利用功能涂層對電池導電基材進行表面處理是一項突破性的技術創(chuàng)新，覆碳鋁箔/銅箔就是將分散好的納米導電石墨和碳包覆粒，均勻、細膩地涂覆在鋁箔/銅箔上。它能提供極佳的靜態(tài)導電性能，收集活性物質(zhì)的微電流，從而可以大幅度降低正/負極材料和集流之間的接觸電阻，并能提高兩者之間的附著能力，可減少粘結劑的使用量，進而使電池的整體性能產(chǎn)生顯著的提升。 涂層分水性（水劑體系）和油性（有機溶劑體系）兩種類型。
性能差異
涂碳鋁箔/銅箔的性能優(yōu)勢
1.顯著提高電池組使用一致性，大幅降低電池組成本。如：
明顯降低電芯動態(tài)內(nèi)阻增幅 ；
提高電池組的壓差一致性 ；
延長電池組壽命 ；
大幅降低電池組成本。
提高電池組的壓差一致性 ；
延長電池組壽命 ；
大幅降低電池組成本。
顯著提高電池組使用一致性
2.提高活性材料和集流體的粘接附著力，降低極片制造成本。如：
改善使用水性體系的正極材料和集電極的附著力；
改善納米級或亞微米級的正極材料和集電極的附著力；
改善鈦酸鋰或其他高容量負極材料和集電極的附著力；
提高極片制成合格率,降低極片制造成本。
改善納米級或亞微米級的正極材料和集電極的附著力；
改善鈦酸鋰或其他高容量負極材料和集電極的附著力；
提高極片制成合格率,降低極片制造成本。
提高活性材料和集流體的粘接附著力
涂碳鋁箔與光箔的電池極片粘附力測試圖
使用涂碳鋁箔后極片粘附力由原來10gf提高到60gf（用3M膠帶或百格刀法），粘附力顯著提高。
3.減小極化，提高倍率和克容量，提升電池性能。如：
部分降低活性材料中粘接劑的比例，提高克容量；
改善活性物質(zhì)和集流體之間的電接觸；
減少極化，提高功率性能。
改善活性物質(zhì)和集流體之間的電接觸；
減少極化，提高功率性能。
減小極化，提高倍率和克容量
不同鋁箔的電池倍率性能圖
其中C-AL為涂碳鋁箔，E-AL為蝕刻鋁箔，U-AL為光鋁箔
4.保護集流體，延長電池使用壽命。如：
防止集流極腐蝕、氧化；
提高集流極表面張力，增強集流極的易涂覆性能；
提高集流極表面張力，增強集流極的易涂覆性能；
可替代成本較高的蝕刻箔或用更薄的箔材替代原有的標準箔材。
不同鋁箔的電池循環(huán)曲線圖（200周）
其中（1）為光鋁箔，（2）為蝕刻鋁箔，（3）為涂碳鋁箔
