關(guān)于鋰電池工作原理及結(jié)構(gòu)詳解
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-06 13:09
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1、鋰電池基本結(jié)構(gòu)
主要材料：正極、負(fù)極、電解液、隔膜
結(jié)構(gòu)：圓形、方形;疊片、卷繞
形態(tài)：聚合物(軟包裝)、液態(tài)鋰離子(鋼殼)
2、鋰電池工作原理
正極材料：LiMn2O4，負(fù)極材料：石墨
充電時(shí)正極的Li+和電解液中的Li+向負(fù)極聚集，得到電子，被還原成Li鑲嵌在負(fù)極的碳素材料中。放電時(shí)鑲嵌在負(fù)極碳素材料中的Li失去電子，進(jìn)入電解液，電解液內(nèi)的Li+向正極移動(dòng)。
3、鋰電池組成原理
?、僬龢O構(gòu)造
LiMn2O4(錳酸鋰)+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)正極
?、谪?fù)極構(gòu)造
石墨+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(銅箔)負(fù)極
4、充電過程
電源給電池充電,此時(shí)正極上的電子e從通過外部電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。
正極上發(fā)生的反應(yīng)為LiMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)
負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為6C+XLi+Xe==LixC6
5、放電過程
電池放電，此時(shí)負(fù)極上的電子e從通過外部電路跑到正極上，正鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。
正極上發(fā)生的反應(yīng)為Li1-xMn2O4+xli++xe(電子)==LiMn2O4
負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為LixC6==6C+xLi+xe層狀結(jié)構(gòu)的LiMO2（M=Co、Ni、Mn）中，不同的過渡金屬材料在合成和電化學(xué)性質(zhì)上還是稍有區(qū)別，總結(jié)如下：（1）層狀LiCoO2結(jié)構(gòu)中，鋰離子的可逆嵌入脫嵌量只有0.5個(gè)單元，多于0.5時(shí)，材料會(huì)發(fā)生不可逆的相變，造成容量衰減。所以LiCoO2的耐過充能力差，Li1-xCoO2中x的范圍為0≤x≤0.5，理論容量只有156 mAh/g。此外，處于充電狀態(tài)的鈷酸鋰Li1-xCoO2（x>0）在高溫下容易發(fā)生析氧反應(yīng)，放出氧氣。
Li0.5CoO2 ↔ 0.5 LiCoO2 + 1/6 Co3O4 + 1/6 O2
層狀LiNiO2的理論容量有275 mAh/g，實(shí)際容量在190-200 mAh/g。但由于鎳離子的離子半徑小于鋰離子，在充放電過程中鎳離子容易占據(jù)鋰離子的位置，出現(xiàn)陽離子錯(cuò)排的現(xiàn)象，導(dǎo)致LiNiO2局部層間結(jié)構(gòu)坍塌，造成材料的容量降低。此外LiNiO2材料還存在熱穩(wěn)定性差、放熱量大、耐過充能力差等多種問題。
層狀LiMnO2與層狀的LiCoO2結(jié)構(gòu)略有不同，氧原子是以扭變的四方密堆方式排布，呈層狀巖鹽結(jié)構(gòu)。理論容量為285 mAh/g，但其循環(huán)性能較差。材料在脫鋰后結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，會(huì)慢慢向尖晶石型LiMn2O4結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，此時(shí)鋰離子會(huì)進(jìn)入錳離子層，造成容量衰減。此外錳離子還容易與電解液發(fā)生副反應(yīng)，進(jìn)而溶解在電解液里。高溫時(shí)材料還易發(fā)生產(chǎn)生雜相的反應(yīng)。
