锂离子电池原理介绍

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摘要：锂离子电池具有其他化学电源不可比拟的特性，正迎来快速发展时期。锂离子电池主要由正极和负极构成，正极与负极之间由一层薄膜隔开，电池内部有电解液，随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出。锂离子电池具有高能量密度、高电压、无污染，绿色环保、循环寿命长、负载能力高和安全性能优的特性。

关键词：锂离子电池 正极 负极 锂离子

自日本索尼能源公司自20世纪90年代商品化锂离子电池以来，锂离子电池以其高比能量和高电压等优点而成为移动通讯、笔记本电脑等便携式电子产品的主要电源之一。由于锂离子电池具有工作电压高、体积小、重量轻、能量比高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低，可快速充电等优良性能，锂离子电池正在成为电动自行车和电动汽车电池的理想选择，迎来来了良好的发展契机。

一、锂离子电芯的构造原理

1.正极构造

LiCoO2（钴酸锂）+导电剂（乙炔黑）+粘合剂（PVDF）+集流体（铝箔）

2.负极构造

石墨+导电剂（乙炔黑）+增稠剂（CMC）+粘结剂（SBR）+集流体（铜箔）

电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2和LiFePO4，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走锂离子XLi后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。通过深入研究，发现当X>0.5时，Li1-XCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值，一般充电电压不大于4.2V，那么X小于0.5 ，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中，以保证下次充放电Li的正常嵌入，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压≤4 .2V，放电下限电压≥2.5V。

3.工作原理

锂离子电池内部成螺旋型结构，正极与负极之间由一层具有许多细微小孔的薄膜纸隔开。锂离子电芯是一种新型的电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中，只有锂离子在正负极间往来运动，电极和电解质不参与反应。锂离子电芯的能量容量密度可以达到300Wh/L，重量容量密度可以达到125Wh/L。锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳定。锂离子电池的正极采用钴酸锂，正极集流体是铝箔；负极采用碳，负极集流体是铜箔，锂离子电池的电解液是溶解了LiPF6的有机体。

锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极是碳。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈现层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时，也就是我们使用电池的过程，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

4.充电过程

用一个电源给电池充电，此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe（电子）

负极上发生的反应为 6C + xLi+ + xe --LixC6

5.电池放电过程

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早跑过来的电子结合在一起。

二次电池记忆效应的原理是结晶化，在锂离子电池中几乎不会产生这种反应。但是，锂离子电池在多次充放电后容量仍然会下降，其原因是复杂而多样的。主要是正负极材料本身的变化，从分子层面来看，正负极上容纳锂离子的孔穴结构会逐渐塌陷、堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物。物理上还会出现正极材料逐渐脱落的情况。总之，最终降低了电池中 可以自由在充放电过程中移动的锂离子的数量。

过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面上看，可以直观的理解，过度放电将导致负极碳过度释放出锂离子而使得其片层结构坍塌，过度充电将使得太多的锂离子硬塞入负极碳结构中去，而使得其中一部分锂离子无法释放出来。

不合适的温度，将引发锂离子电池内部其他化学反应，生成我们不希望看到的化合物，所以在不少的锂离子电池正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂。在电池升温到一定的情况下，隔膜孔闭合或电解液变性，电池内阻增大直到断路，电池不再升温。确保电池温度正常和电池安全。

参考文献

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