鋰離子電池的組成及及其工作原理分析概述1.1鋰離子電池的組成鋰離子電池是由正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜等部分組成的。1、正極正極材料是鋰離子電池的重要組成部分之一。鋰離子電池正極材料按照結(jié)構(gòu)可分為：三方層狀過渡金屬氧化物、尖晶石型正極材料、聚陰離子型正極材料。3正極材料的選擇與制備應(yīng)滿足以下要求：（1）、正極材料在電極反應(yīng)中具有較高的脫／嵌鋰電位以及穩(wěn)定的充放電平臺(tái)，確保鋰離子電池具有高穩(wěn)定的工作電壓；（2）、作為鋰離子電池工作過程中鋰的主要來源（預(yù)鋰化除外），正極材料應(yīng)該具有相對(duì)較小的電化學(xué)當(dāng)量，保證電池具有較高的比容量；（3）、正極材料在脫／嵌鋰過程中應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證電池具有好的循環(huán)壽命；（4）、正極材料應(yīng)該具備較高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，確保材料在大電流下具有較高的可逆容量；（5）、鋰離子電池工作過程中，正極材料在電解液中應(yīng)呈電化學(xué)惰性；（6）、正極材料的制備應(yīng)從綠色環(huán)保、對(duì)環(huán)境污染小且成本低的原材料中選擇。2、負(fù)極目前鋰離子電池負(fù)極材料主要有石墨碳、新型碳負(fù)極材料、錫基負(fù)極材料、硅碳復(fù)合負(fù)極材料、鋰合金負(fù)極材料、金屬氮化物、鈦酸鋰負(fù)極材料等。其中，常規(guī)石墨負(fù)極材料的倍率性能已經(jīng)難以滿足鋰電池產(chǎn)品的需求，正逐漸被高容量、高導(dǎo)電性的材料取代。4負(fù)極材料同樣作為鋰離子電池的重要組成部分之一，其性質(zhì)關(guān)系到電池的整體性能，負(fù)極材料的選擇應(yīng)滿足以下特征：（1）、為了提高全電池的輸出電壓，鋰離子在負(fù)極材料中的氧化還原反應(yīng)電位較低。（2）、具備強(qiáng)大的儲(chǔ)鋰能力，使電池具有較高的充放電容量，并且在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，材料結(jié)構(gòu)變化較小，確保電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性；（3）、進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，電壓平臺(tái)的變化應(yīng)盡可能小，保證電池電壓不會(huì)發(fā)生顯著變化，可保持平穩(wěn)的充放電平臺(tái)。（4）、具備較高的離子遷移率和電子電導(dǎo)率，減少電極極化，使電池具有較高的容量保持率，能夠應(yīng)對(duì)快速充放電的使用場(chǎng)景；（5）、能夠在負(fù)極表面形成穩(wěn)定的SEI膜；（6）、具有成本低廉、制備簡單方便、對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)。3、隔膜隔膜是分隔正極與負(fù)極的高聚物膜，常用的隔膜為微孔聚丙烯或聚乙烯膜。隔膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，它可以阻止因活性物質(zhì)遷移而引起的電池內(nèi)部短路，同時(shí)具有優(yōu)異的離子導(dǎo)電能力和良好的電子絕緣性能。需要注意以下要求：5（1）、聚合物隔膜的透氣性與安全性。聚合物隔膜過薄、孔隙率越高，其電絕緣性、力學(xué)性能、保液能力將明顯降低，嚴(yán)重影響電池的安全性。6（2）、聚合物隔膜的熱失控。鋰離子電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，因此隔膜在-20~90℃時(shí)要保持尺寸穩(wěn)定和良好的力學(xué)性能，以避免電池短路和熱失控。（3）、鋰離子電池在運(yùn)行過程中，聚合物隔膜的力學(xué)性能將逐漸退化衰減，電極材料形成的鋰枝晶可能刺穿隔膜，引發(fā)電池短路風(fēng)險(xiǎn)。（4）、常用的聚烯烴隔膜為非極性材料，其“化學(xué)惰性”導(dǎo)致隔膜與極性電解液、鋰鹽親和性差，不能夠快速、充分被電解液浸潤，不利于鋰離子的穿梭。因此聚烯烴隔膜的離子電導(dǎo)率低、內(nèi)阻大，限制了鋰離子電池性能的提高。4、電解液電解液是由鋰鹽、溶劑和添加劑三者組成的，它們共同決定了電解液的性能，7電解液主要由六氟磷酸鋰等鋰鹽，溶解在碳酸酯和醚類溶劑中所構(gòu)成。8理想的電解液應(yīng)具有以下特性：（1）、黏度低，離子電導(dǎo)率高，鋰離子溶劑化和去溶劑化的活化能低，保證鋰離子可以在電解液中快速傳導(dǎo)；（2）、具有較寬的電化學(xué)窗口，在高電壓和低電壓下能在電極表面形成穩(wěn)定的CEI和SEI膜，阻斷電子傳導(dǎo)，防止電解液進(jìn)一步發(fā)生氧化還原反應(yīng)；（3）、工作溫度范圍寬，有較高的沸點(diǎn)和較低的熔點(diǎn)；（4）、對(duì)集流體、隔膜等電池零部件呈化學(xué)惰性；（5）、環(huán)保、低毒（無毒）、成本低廉。1.2鋰離子電池的工作原理鋰離子電池的工作原理是Li+在碳負(fù)極和嵌入化合物正極之間的可逆嵌入和脫出過程，利用Li+在正負(fù)極之間形成嵌入化合物的Li儲(chǔ)存狀態(tài)和電位的不同，通過電子的得失來實(shí)現(xiàn)充電和放電的過程。如圖1-1所示，以層狀富鋰化合物L(fēng)iCoO2為正極，石墨為負(fù)極為例，在充電過程中，受到外電場(chǎng)的作用，Li+從LiCoO2正極脫出，釋放出一個(gè)電子，Li在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過電解液擴(kuò)散到負(fù)極，嵌入到石墨中，嵌入的Li+越多，充電容量就越大，外電路補(bǔ)償電荷給石墨負(fù)極，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)。電池放電時(shí)則相反，嵌入石墨中的Li+脫出，進(jìn)入電解液后擴(kuò)散到正極，嵌入晶格中，外電路補(bǔ)償電荷給LiCoO2正極。9由于Li+在正負(fù)極之間來回運(yùn)動(dòng)，鋰離子電池又被稱為“搖椅電池”。此過程的電化學(xué)反應(yīng)式如下：正極反應(yīng)：