三元鋰離子電池結構及工作原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u19493三元鋰離子電池結構及工作原理分析 1162601.1鋰離子電池分類及結構 1315041.1.1鋰離子電池分類 161131.1.2鋰離子電池結構組成 2250261.2鋰離子電池工作原理 2140991.3主要特點及性能比較 388211.3.1鋰離子電池性能比較 3209241.3.2鋰離子電池優(yōu)缺點 41.1鋰離子電池分類及結構1.1.1鋰離子電池分類三元鋰離子電池是一種可充電電池，是鋰離子嵌入化合物為正極材料的電池的總稱[[]秦東晨,張東明,王婷婷,李建杰.電動汽車鋰電池建模仿真及SOC估計研究[J].機械設計與制造,2021(02):164-168.[]秦東晨,張東明,王婷婷,李建杰.電動汽車鋰電池建模仿真及SOC估計研究[J].機械設計與制造,2021(02):164-168.三元鋰離子電池正極上的材料基本都是金屬鋁（Al）組成的,活性物質(zhì)一般為具有高插入電位的層狀結構的過渡金屬氧化物和鋰化合物構成的。例如以下及種不同的正極材料的鋰離子電池以及它們各有的優(yōu)缺點：（1）錳酸鋰（LiMn2O4）錳酸鋰材料的長處在于其獨特的尖晶石構造，使得電池正極上的鋰離子的活動更加容易，防止了電池內(nèi)部的電阻過高導致電池材料無法承受太大的電流。這就會提高了電池的熱穩(wěn)定性，從而使得電池最重要得的安全性也顯著提高。而其缺點在于此類電池在使用過程中的循環(huán)次數(shù)以及電池的使用壽命不長。（2）鈷酸鋰(LiCoO2)鈷酸鋰外形表示為層狀結構，這種結構的材料的優(yōu)點在于容量大、電池使用循環(huán)好、放電倍率高以及制作的過程不復雜。同樣其短處是電池的使用壽命相比較其他電池來說較短，而且此類電池對電流的負載能力比較差，熱穩(wěn)定性同樣比較弱，然而成本卻是很昂貴。（3）鈦酸鋰（Li4Ti5O12）其優(yōu)點是鈦酸鋰使用壽命較長，有著最佳的低溫性能。缺點是容量低且成本高。（4）磷酸鐵鋰(LiFePO4)磷酸鐵鋰具有無污染、成本低、安全性好、良好的熱穩(wěn)定性、循環(huán)壽命高等優(yōu)點。其缺點是能量密度較低。（5）鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)鋰離子電池當中最為成功的的研究成果便是鎳鈷錳酸鋰電池。這類電池當中的兩種金屬，鎳和錳可以進行長處互補。鎳金屬可以帶給電池高能量的特點，錳金屬的長處是可以增加電池的穩(wěn)定性，所以互補之下，此類電池便具有了高能量且穩(wěn)定性較好的整體優(yōu)點。但這種電池的不足之處是鎳、鈷兩種金屬具有污染性，對環(huán)境有所傷害。（6）鎳鈷鋁酸鋰（LiNiCoAlO2）鎳鈷鋁酸鋰的比能量較高，比功率較好以及長時間的使用壽命。但是由于此類電池安全性方面不高，并且制造價格較高，所以使用范圍不廣。1.1.2鋰離子電池結構組成負極材料為銅（Cu）,附著的活性物質(zhì)一般都是由石墨構成的，石墨的結構和導電性都很好，十分適合電池中的鋰離子進出。鋰離子電池結構中最為重要的組成部分就是隔膜，隔膜的好壞與電池的安全性密切相關。隔膜是為了分離電池的正極和負極而存在，同時它也是電池在工作過程中，鋰離子在正負極之間運動時的唯一的通道。隔膜也被分成很多種，而最經(jīng)常被使用的便是具有高強度的聚烯烴多孔膜。聚合物上面的孔可以為鋰離子運動提供通道的同時并阻隔游離的電子，確保鋰電池內(nèi)部維持單向循環(huán)。隔膜的異常會造成鋰離子無法正常通過隔膜運動以至于逐漸地聚合堆積，從而引起電池的內(nèi)短路，嚴重時會發(fā)生電池爆炸事故。離子在電池內(nèi)部正負極之間運動時，主要是有電解質(zhì)充當運動載體來實現(xiàn)離子的來回遷移，而電解質(zhì)通常是由鋰鹽和鋰電池的有機溶解物組成，能夠保證電解質(zhì)在正極和負極之間的傳遞。鋰離子電池的電壓和性能的高低取決于電解液的構成。在一定條件下，鋰離子電池的電解液由有機物、添加劑和鋰鹽組成[[]吳鵬.不同溫度下鋰離子電池熱—化耦合的數(shù)值模擬研究[D].湘潭大學,2017.]。主要成分有碳酸乙烯酯（C3H4O3）、碳酸丙烯酯(C4H6O3)、碳酸二乙酯(C5H13[]吳鵬.不同溫度下鋰離子電池熱—化耦合的數(shù)值模擬研究[D].湘潭大學,2017.電池的殼體對電池本身的安全性起著至關重要的作用。其主要的功能是提供給電池內(nèi)部系統(tǒng)一個可以正常發(fā)生反應并且工作的場所，并且保護電池內(nèi)部的組成部分在電池受到撞擊等可以保持正常工作，要求外殼的強度要滿足日常需求。此外還應該使電池在工作過程中可以進行更好地散熱，防止因為過熱引起爆炸和燃燒等危險事故的發(fā)生。電池的殼體按外部材料劃分一般為鋼材料制成的外殼和鋁材料制成的外殼，而外形一般是圓柱狀電池和方形的電池。1.2鋰離子電池工作原理正極為鋰離子嵌入化合物的電池稱為鋰離子電池，其負極通常為碳素材料[[]邱玉鳳,江家發(fā).新型高效綠色能源:鋰離子電池[J].化學育,2011,(8):1-3,19.[]邱玉鳳,江家發(fā).新型高效綠色能源:鋰離子電池[J].化學育,2011,(8):1-3,19.圖1.1鋰離子電池充、放電原理圖鋰離子電池在發(fā)生內(nèi)部的電化學反形時，有時會發(fā)生一種被稱作濃度極化的現(xiàn)象。這是因為離子在移動過程中也是需要時間的，而同時離子的移動速度又比不上電池內(nèi)部發(fā)生的電化學反應的速度，所以就會造成極板表面處的離子濃度相比較距離極板較遠處的離子濃度相差較大，產(chǎn)生了濃度極化差。鋰離子電池的種類繁多，但是其反應的原理基本是相同的，以磷酸鐵鋰電池為例，其充放電過程中電池內(nèi)部的電化學反應分別如（2-1）、（2-2）、（2-3）和（2-4）所示。正極材料上發(fā)生的反應。充電時L?F放電時Li1?x負極材料商發(fā)生的反應充電時xLi+放電時Lix1.3主要特點及性能比較1.3.1鋰離子電池性能比較由于構成鋰離子電池的正極材料不同，所以可將電池分為好多種種類。比較常見的有鎳酸鋰電池（LiNiO2）、錳酸鋰電池（LiMn2O4）、鈷酸鋰電池(LiCoO2)、磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)、鎳鈷錳酸鋰電池(Li(NiCoMn)O2)三元和鎳鈷鋁酸鋰（LiNiCoAlO2）三元電池等。不同材料構成的電池相應的就會有差異性，如下表1.1。表1.1六種常見的鋰離子電池性能正極材料種類標稱電壓（V）循環(huán)壽命成本環(huán)保性安全性錳酸鋰（LiMn2O4）3.6中低無污染中鈷酸鋰(LiCoO2)3.7低高鈷污染低鎳酸鋰（LiNiO2）3.6低高鎳污染低磷酸鐵鋰(LiFePO4)3.2高低無污染高鎳鈷錳酸鋰(Li(NiCoMn)O2)3.6高中鎳、鈷污染低鎳鈷鋁酸鋰（LiNiCoAlO2）3.6中中鎳、鈷污染低由表1.1的數(shù)據(jù)可以得到其中的結論，現(xiàn)階段磷酸鐵鋰電池是鋰離子電池種類之中安全性最好的，并且此類的電池的使用壽命也很長久，價格低。然而，其他種類電池的安全系數(shù)，包括三元鋰離子電池，相對較低，需要進行改進。三元鋰離子中的鎳鈷錳酸鋰電池的性能較好，使用壽命長，而且能量密度大，成本適中，但本身有金屬污染，環(huán)保性較差。1.3.2鋰離子電池優(yōu)缺