鋰離子電池是什么？它的工作原理是什么？

鋰離子電池

1、基本介紹

鋰離子電池(Lithiumbattery)是指電化學(xué)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(chǎn)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(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，現(xiàn)在只有少數(shù)的幾個(gè)國(guó)家的公司在生產(chǎn)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(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

放電反應(yīng)：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(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。

充電正極上發(fā)生的反應(yīng)為

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(電子)

充電負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為

6C+XLi++Xe-=LixC6

充電電池總反應(yīng)：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(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反。

鋰離子電池放電是靠化學(xué)的氧化還原反應(yīng)。放電時(shí)，也就是我們?cè)谑褂秒姵叵碾娏康臅r(shí)候，它的正極會(huì)嵌入鋰離子，負(fù)極鋰離子落嵌。充電的時(shí)候正好相反。他這種離子的得失會(huì)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(guò)程中，鋰離子(Li)充當(dāng)了電能的搬運(yùn)載體，周而復(fù)始的從正極→負(fù)極→正極來(lái)回的移動(dòng)，與正、負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是鋰離子電池的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，并沒(méi)有電子在正負(fù)極之間的來(lái)回移動(dòng)，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。

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(yīng)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(guò)程中容量衰減是不可防止的。

1、正極材料的結(jié)構(gòu)變化

正極材料是鋰離子電池的重要來(lái)源，當(dāng)鋰離子電池從正極中脫出時(shí)候，為了維持材料電中性狀態(tài)，金屬元素必然會(huì)被氧化到達(dá)一個(gè)高的氧化態(tài)，這里就伴隨了組分的轉(zhuǎn)變。組分的轉(zhuǎn)變?nèi)菀讓?dǎo)致相轉(zhuǎn)移和體相結(jié)構(gòu)的變化。電極材料相轉(zhuǎn)變可以引起晶格參數(shù)的變化及晶格失配，由此出現(xiàn)的誘導(dǎo)應(yīng)力引起晶粒的破碎，并引發(fā)裂紋的傳播，造成材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械破壞，從而引起電化學(xué)性能衰減。

2、負(fù)極材料結(jié)構(gòu)

鋰離子電池常用的負(fù)極材料有碳材料、鈦酸鋰等，本文以典型負(fù)極石墨進(jìn)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(gè)階段會(huì)在負(fù)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(jié)構(gòu)的變化也會(huì)造成電池容量下降。

雖然保持了石墨的形貌結(jié)構(gòu)，但是其(002)晶面的半高寬變大，導(dǎo)致c軸方向的晶粒尺寸變小，晶體結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致碳材料出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而破壞負(fù)極表面的SEI膜并促進(jìn)SEI膜的修復(fù)，SEI膜的過(guò)度生長(zhǎng)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(yīng)

電解液的性質(zhì)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(zhì)和添加劑三個(gè)部分。溶劑的分解、電解質(zhì)的分解都會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池容量的損失。電解液的分解和副反應(yīng)是鋰離子電池容量衰減的重要因素，無(wú)論采用何種正負(fù)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(fù)極材料間發(fā)生的界面反應(yīng)都會(huì)造成容量的衰減。

4、正極過(guò)充反應(yīng)

當(dāng)正極活性物相關(guān)于負(fù)極活性物比例過(guò)低時(shí)，容易發(fā)生正極過(guò)充電。鋰離子電池正極過(guò)充導(dǎo)致容量損失重要是由于電化學(xué)惰性物質(zhì)(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(shí)正極活性物質(zhì)不穩(wěn)定會(huì)與電解質(zhì)反應(yīng)造成容量降低。影響正極材料不穩(wěn)定因素有正極材料結(jié)構(gòu)缺陷、炭黑含量、充電電勢(shì)過(guò)高，其中正極材料結(jié)構(gòu)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(shí)代，鋰離子電池已經(jīng)成為了我們生活中不可或缺的一部分。從智能手機(jī)、筆記本電腦到電動(dòng)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(fù)極之間的移動(dòng)來(lái)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(zhǎng)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(shè)備和電動(dòng)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(fù)極、電解質(zhì)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(fù)極則由石墨或硅等材料制成。電解質(zhì)是一種能夠傳導(dǎo)鋰離子的液體或固體物質(zhì)。而隔膜是一種薄膜，用于隔離正負(fù)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(fù)極之間的移動(dòng)。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極通過(guò)電解質(zhì)和隔膜移動(dòng)到負(fù)極，同時(shí)電子從正極經(jīng)過(guò)外部電路移動(dòng)到負(fù)極。這樣，電池儲(chǔ)存了能量。在放電過(guò)程中，鋰離子從負(fù)極移動(dòng)回正極，電子則通過(guò)外部電路從負(fù)極流向正極，為設(shè)備提供電能。

4. 鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)

鋰離子電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)代電子設(shè)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(duì)較小的體積和重量下儲(chǔ)存更多的能量。其次，鋰離子電池的循環(huán)壽命較長(zhǎng)，一般可達(dá)數(shù)百至數(shù)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(zhǎng)時(shí)間不使用的情況下，電池的電量損失也相對(duì)較小。

5. 鋰離子電池的缺點(diǎn)和挑戰(zhàn)

盡管鋰離子電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它們也有缺點(diǎn)，并面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，鋰離子電池的成本相對(duì)較高，這主要是由于鋰和其他稀有金屬的價(jià)格較高。其次，鋰離子電池在高溫或過(guò)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(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸降低。