鋰離子電池

1、基本介紹

鋰離子電池(Lithiumbattery)是指電化學體系中含有鋰(包括金屬鋰、鋰合金和鋰離子、鋰聚合物)的電池。鋰離子電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的?？沙潆婋姵氐牡谖宕a品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制，現(xiàn)在只有少數的幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。

2、工作原理

(1)鋰金屬電池：

鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。

放電反應：Li+MnO2=LiMnO2

(2)鋰離子電池：

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。

充電正極上發(fā)生的反應為

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)

充電負極上發(fā)生的反應為

6C+XLi++Xe-=LixC6

充電電池總反應：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

鋰離子電池工作原理：鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，它重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。

鋰離子電池放電是靠化學的氧化還原反應。放電時，也就是我們在使用電池消耗電量的時候，它的正極會嵌入鋰離子，負極鋰離子落嵌。充電的時候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池出現(xiàn)電量。

在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子(Li)充當了電能的搬運載體，周而復始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生化學反應，將化學能和電能相互轉換，實現(xiàn)了電荷的轉移，這就是鋰離子電池的基本原理。由于電解質、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環(huán)過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學反應。

鋰離子電池容量衰減的原因：鋰離子電池是繼鎘鎳電池、氫鎳電池之后發(fā)展最快的二次電池.鋰離子電池的應用很大程度取決于其充放電循環(huán)的穩(wěn)定性,和其它二次電池相同,鋰離子電池在循環(huán)過程中容量衰減是不可防止的。

1、正極材料的結構變化

正極材料是鋰離子電池的重要來源，當鋰離子電池從正極中脫出時候，為了維持材料電中性狀態(tài)，金屬元素必然會被氧化到達一個高的氧化態(tài)，這里就伴隨了組分的轉變。組分的轉變容易導致相轉移和體相結構的變化。電極材料相轉變可以引起晶格參數的變化及晶格失配，由此出現(xiàn)的誘導應力引起晶粒的破碎，并引發(fā)裂紋的傳播，造成材料的結構發(fā)生機械破壞，從而引起電化學性能衰減。

2、負極材料結構

鋰離子電池常用的負極材料有碳材料、鈦酸鋰等，本文以典型負極石墨進行分析。鋰離子電池容量的衰減第一次發(fā)生于化成階段，在這個階段會在負極表面形成SEI，消耗部分鋰離子。隨著鋰離子電池使用，石墨結構的變化也會造成電池容量下降。

雖然保持了石墨的形貌結構，但是其(002)晶面的半高寬變大，導致c軸方向的晶粒尺寸變小，晶體結構的改變導致碳材料出現(xiàn)裂紋，進而破壞負極表面的SEI膜并促進SEI膜的修復，SEI膜的過度生長消耗活性鋰，因此造成了鋰離子電池的不可逆容量衰減。

3、電解液的氧化分解與界面反應

電解液的性質顯著影響鋰離子電池的比容量、壽命、倍率充放電性能、工作溫度范圍以及安全性能等。電解液重要包括溶劑、電解質和添加劑三個部分。溶劑的分解、電解質的分解都會導致鋰離子電池容量的損失。電解液的分解和副反應是鋰離子電池容量衰減的重要因素，無論采用何種正負極材料、何種工藝，隨著鋰離子電池循環(huán)使用，電解液的分解及與正負極材料間發(fā)生的界面反應都會造成容量的衰減。

4、正極過充反應

當正極活性物相關于負極活性物比例過低時，容易發(fā)生正極過充電。鋰離子電池正極過充導致容量損失重要是由于電化學惰性物質(如Co3O4，Mn2O3等)的出現(xiàn)，破壞了電極間的容量平衡，其容量損失是不可逆的。

5、電極不穩(wěn)定性

在充電時正極活性物質不穩(wěn)定會與電解質反應造成容量降低。影響正極材料不穩(wěn)定因素有正極材料結構缺陷、炭黑含量、充電電勢過高，其中正極材料結構缺陷是影響因素中的重中之重。

在現(xiàn)代科技日益發(fā)展的時代，鋰離子電池已經成為了我們生活中不可或缺的一部分。從智能手機、筆記本電腦到電動汽車，鋰離子電池為我們的日常生活提供了便捷的能源。那么，鋰離子電池究竟是什么?它是如何工作的?本文將為您揭開鋰離子電池的神秘面紗。

1. 什么是鋰離子電池?

鋰離子電池是一種可充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間的移動來工作。與其他類型的電池相比，鋰離子電池具有更高的能量密度、更長的循環(huán)壽命和更低的自放電率，這使得鋰離子電池成為了許多便攜式電子設備和電動汽車的理想選擇。

2. 鋰離子電池的組成

鋰離子電池主要由正極、負極、電解質和隔膜組成。正極通常由鋰化合物(如鋰鈷氧化物、鋰鐵磷酸鹽等)制成，負極則由石墨或硅等材料制成。電解質是一種能夠傳導鋰離子的液體或固體物質。而隔膜是一種薄膜，用于隔離正負極，防止短路。

3. 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池的工作原理主要依賴于鋰離子在正極和負極之間的移動。在充電過程中，鋰離子從正極通過電解質和隔膜移動到負極，同時電子從正極經過外部電路移動到負極。這樣，電池儲存了能量。在放電過程中，鋰離子從負極移動回正極，電子則通過外部電路從負極流向正極，為設備提供電能。

4. 鋰離子電池的優(yōu)點

鋰離子電池具有許多優(yōu)點，使其成為現(xiàn)代電子設備的理想能源。首先，鋰離子電池具有較高的能量密度，這意味著它們能夠在相對較小的體積和重量下儲存更多的能量。其次，鋰離子電池的循環(huán)壽命較長，一般可達數百至數千次充放電循環(huán)。此外，鋰離子電池的自放電率較低，即使在長時間不使用的情況下，電池的電量損失也相對較小。

5. 鋰離子電池的缺點和挑戰(zhàn)

盡管鋰離子電池具有許多優(yōu)點，但它們也有缺點，并面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，鋰離子電池的成本相對較高，這主要是由于鋰和其他稀有金屬的價格較高。其次，鋰離子電池在高溫或過度充放電的情況下可能存在安全隱患，如熱失控、短路等。此外，鋰離子電池的循環(huán)壽命和性能會隨著時間的推移而逐漸降低。