鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理

1、、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負(fù) 極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的，獨(dú)特機(jī)理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池"，俗稱“鋰電”。LTDiadvirseLICdO ttvs cZ-Klroco正極反應(yīng)LCoQbClisrQeLiixcoos+xir+wDrachorge負(fù)極反應(yīng)C * iLT + mtChargeCLixGoschOirge電池反應(yīng)Charge-_*-LCoQ? + C-JiI.JUMCoOj + CUx»SpdDoaUr cnrlinn當(dāng)電池充電時，鋰

2、離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時反之。這就需要一個電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài)，一般選擇相對鋰而言電位大于 3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn 2O4。做為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物 ，包括SnO、SnO2、錫復(fù)合氧化物 SnBxPyOz （x=0。40。6，y=0.60。4，z=（2 + 3x+ 5y） /2）等。電解質(zhì)采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系.隔膜采用

3、聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低， 而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到 了熱保險作用。外殼采用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電的功能二、鋰離子電池的種類根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池（lithium ion battery ,簡稱為LIB ）和聚合物鋰離子電池（polymer lithium ion battery ， 簡稱為 LIP）兩大類。液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用LiCoO 2，負(fù)極使用各種碳材料如石墨，同時使用鋁、銅做集流體

4、它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同，鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是 干態(tài)”的，也可以是 膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)表 鋰離子電池結(jié)構(gòu)比較電解質(zhì)殼體/包裝隔膜集流體液態(tài)鋰離子電池液態(tài)不銹鋼、鋁25gPE銅箔和鋁箔聚合物鋰離子電池膠體聚合物鋁/PP復(fù)合膜沒有隔膜或個卩PE銅箔和鋁箔由于聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質(zhì)不會象液體電液泄露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄.也不會產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提高整個電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用 高分子作正極材料，其質(zhì)量

5、比能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50%以上.此外，聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池有所提高。基于以上優(yōu)點(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)為下一代鋰離子電池。三、鋰離子電池結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)探究研究對象：科健K98手機(jī)鋰聚合物電池1 結(jié)構(gòu)解剖（1）將電池從外殼中取岀，用剪刀剪開密封外皮，并將外皮剝開?？梢钥吹郊t色銅箔為負(fù)極集流體，銀白色鋁箔正極集流體（2）將塑料薄膜揭開，可以看到銅極、鋁極表面均附有黑色物質(zhì)。銅極、鋁極與高分子膜交替岀現(xiàn)組成了電池：-銅箔（表面附有2 實(shí)驗(yàn)研究步驟現(xiàn)象反應(yīng)或解釋(1)取一片銅極，置于酒精燈上加熱。1 -J1建劇烈燃燒4Li + 02= 2Li2

6、O(2)取一片鋁極，置于酒精燈上加熱。丄亠無明顯現(xiàn)象(3)用剪刀將銅極和 鋁極剪成小片。(4)取一支試管，向 其中加入兩小片銅 極，并加入少量蒸餾 水。Bn.叫2Li + 2H2O = 2Li0H +H2f有火光岀現(xiàn)，放岀大量氣泡。（5）取部分步驟（4）得到溶液，注入到另一支試管中，滴加兩滴 酚酞.溶液變?yōu)榧t色溶液顯堿性（6）取一根潔凈的鉑 絲，蘸取步驟（4）得到 的溶液,置于酒精燈外 焰上灼燒.焰色為紅色Li的焰色（7）取一支試管，向 其中加入兩小片鋁 極，并加入少量蒸餾水無明顯現(xiàn)象（8）取部分步驟（7） 得到溶液，注入到另 一支試管中，滴加兩 滴酚酞。無明顯現(xiàn)象(9)向步驟(7)原試 管中

7、加入適量稀鹽 酸，振蕩。9 Q溶液逐漸變?yōu)榧t色溶液變?yōu)樗{(lán)色Co(H 2O) 62+-CoCl424LiCoO 2 + 12HCI = 4LiCI + 4CoCl2 + 02 f + 6H2OCo3+為強(qiáng)氧化劑，在 水溶液中極不穩(wěn)定，易氧 化H2O轉(zhuǎn)化為Co2+，Co (III )只存在于固態(tài)和配 合物中。CO (H2O) 6 2+為粉紅色.(10)將上述紅色溶液 分別注入兩支結(jié)晶試 管中，向其中一支試 管中加入適量濃鹽 酸。0引言電子信息時代使對移動電源的需求快速增長。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優(yōu)點(diǎn)，且循環(huán)壽命 長、安全性能好，使其在便攜式電子設(shè)備、電動汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多

8、方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為 近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)1 2 3 。鋰離子電池的機(jī)理一般性分析認(rèn)為，鋰離子電池作為一種化學(xué)電源，指分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極中 脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時反之。鋰離子電池是物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)等學(xué)科研究的結(jié)晶。鋰離子電池所涉 及的物理機(jī)理，目前是以固體物理中嵌入物理來解釋的，嵌入(intercalation)是指可移動的客體粒子 (分子、原子、離子)可逆地嵌入到具有合適尺寸的主體晶格中的網(wǎng)絡(luò)空格點(diǎn)上。電子輸運(yùn)鋰離子電池的正極和負(fù)極材料 都是離子和電子的混合導(dǎo)體嵌入化合物。電子只能在正極和負(fù)極材

9、料中運(yùn)動4 5 :6.已知的嵌入化合物種類繁多，客體粒子可以是分子、原子或離子在嵌入離子的同時，要求由主體結(jié)構(gòu)作電荷補(bǔ)償，以維持電中性。電荷補(bǔ)償可以由主體材料能帶結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)現(xiàn)，電導(dǎo)率在嵌入前后會有變化.鋰離子電池電極材料可穩(wěn)定存在于空氣中與其這一特性息息相關(guān)。嵌入化合物只有滿足結(jié)構(gòu)改變可逆并能以結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)電荷變化才能作為鋰離子電池電極材料。文檔為個人收集整理，來源于網(wǎng)絡(luò)控制鋰離子電池性能的關(guān)鍵材料一一電池中正負(fù)極活性材料是這一技術(shù)的關(guān)鍵，這是國內(nèi)外研究人員的共識1正極材料的性能和一般制備方法正極中表征離子輸運(yùn)性質(zhì)的重要參數(shù)是化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)，通常情況下，正極活性物質(zhì)中鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)都比較低。鋰

10、嵌入到正極材料或從正級材料中脫嵌，伴隨著晶相變化。因此，鋰離子電池的電極膜都要求很薄，一般 為幾十微米的數(shù)量級。正極材料的嵌鋰化合物是鋰離子電池中鋰離子的臨時儲存容器。為了獲得較高的單體電池 電壓,傾向于選擇高電勢的嵌鋰化合物正極材料應(yīng)滿足：1） 在所要求的充放電電位范圍內(nèi)，具有與電解質(zhì)溶液的電化學(xué)相容性；2）溫和的電極過程動力學(xué)；3）高度可逆性；4）全鋰化狀態(tài)下在空氣中的穩(wěn)定性。研究的熱點(diǎn)主要集中在層狀LiMQ和尖晶石型LiMzQ結(jié)構(gòu)的化合物及復(fù)合兩種M（ M為Co,Ni,Mn，V等過渡金屬離子）的類似電極材料上。作為鋰離子電池的正極材料，Li +離子的脫嵌與嵌入過程中結(jié)構(gòu)變化的程度和可逆性

11、決定了電池的穩(wěn)定重復(fù)充放電性。正極材料制備中，其原料性能和合成工藝條件都會對最終結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。多 種有前途的正極材料，都存在使用循環(huán)過程中電容量衰減的情況，這是研究中的首要問題。已商品化的正極材料有Li i-xCoQ （0<x<0. 8）, Li-xNiQ （0<x<0. 8）,LiM nO 27 : 8。它們作為鋰離子電池正極材料各有優(yōu)劣鋰鈷氧為正極的鋰離子電池具有開路電壓高，比能量大，循環(huán)壽命長，能快速充放電等優(yōu)點(diǎn)，但安全性差；鋰鎳氧較鋰鈷氧價格低廉，性能與鋰鈷氧相當(dāng)，具有較優(yōu)秀的嵌鋰性能，但制備困難；而鋰錳氧價格更為低廉，制備相對容易，而且其耐過充安全性能好，但其

12、嵌鋰容量低，并且充放電時尖晶石結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。從應(yīng)用前景來看，尋求資源豐富、價廉、無公害，還有在過充電時對電壓控制和電路保護(hù)的要求較低等優(yōu)點(diǎn)的，高性能的正極材料將是鋰 離子電池正極材料研究的重點(diǎn) 國外有報道LiVO2亦能形成層狀化合物，可作為正極電極材料9。從這些報道看出，雖然電極材料化學(xué)組成相同，但制備工藝發(fā)生變化后，其性能改變較多。成功的商品化電極材料在制備工藝上都有其獨(dú)到之處， 這是國內(nèi)目前研究的差距所在 .各種制備方法優(yōu)缺點(diǎn)列舉如下。本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途1） 固相法 一般選用碳酸鋰等鋰鹽和鈷化合物或鎳化合物研磨混合后，進(jìn)行燒結(jié)反應(yīng)】10.此方法優(yōu)點(diǎn)是工 藝流程簡單，原料易得，

13、屬于鋰離子電池發(fā)展初期被廣泛研究開發(fā)生產(chǎn)的方法，國外技術(shù)較成熟；缺點(diǎn)是所制得正極材料電容量有限，原料混合均勻性差，制備材料的性能穩(wěn)定性不好，批次與批次之間質(zhì)量一致性差。2）絡(luò)合物法 用有機(jī)絡(luò)合物先制備含鋰離子和鈷或釩離子的絡(luò)合物前驅(qū)體，再燒結(jié)制備。該方法的優(yōu)點(diǎn)是分 子規(guī)模混合，材料均勻性和性能穩(wěn)定性好，正極材料電容量比固相法高，國外已試驗(yàn)用作鋰離子電池的工業(yè)化方 法，技術(shù)并未成熟，國內(nèi)目前還鮮有報道。3）溶膠凝膠法 利用上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的制備超微粒子的方法，制備正極材料，該方法具備了絡(luò)合物 法的優(yōu)點(diǎn)，而且制備出的電極材料電容量有較大的提高，屬于正在國內(nèi)外迅速發(fā)展的一種方法。缺點(diǎn)是成本較高

14、， 技術(shù)還屬于開發(fā)階段11。4）離子交換法Armstrong等用離子交換法制備的LiMnO2,獲得了可逆放電容量達(dá)270mA h/g高值，此方法成為研究的新熱點(diǎn)，它具有所制電極性能穩(wěn)定，電容量高的特點(diǎn)。但過程涉及溶液重結(jié)晶蒸發(fā)等費(fèi)能費(fèi)時步驟， 距離實(shí)用化還有相當(dāng)距離。正極材料的研究從國外文獻(xiàn)可看出，其電容量以每年3050mA- h/g的速度在增長，發(fā)展趨向于微結(jié)構(gòu)尺度越來越小，而電容量越來越大的嵌鋰化合物，原材料尺度向納米級挺進(jìn)，關(guān)于嵌鋰化合物結(jié)構(gòu)的理論研究已取得 一定進(jìn)展，但其發(fā)展理論還在不斷變化中困擾這一領(lǐng)域的鋰電池電容量提高和循環(huán)容量衰減的問題，已有研究者提出添加其它組分來克服的方法12

15、 : 1314 : 15 : 16 17 。但就目前而言，這些方法的理論機(jī)理并未研究清楚，導(dǎo)致日本學(xué)者 Yoshio。Nishi認(rèn)為，過去十年以來在這一領(lǐng)域?qū)嵸|(zhì)進(jìn)展不大1,急須進(jìn)一步地研究。2負(fù)極材料的性能和一般制備方法負(fù)極材料的電導(dǎo)率一般都較高，則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰的化合物，如各種碳材料和金屬氧化物?？赡娴厍度朊撉朵囯x子的負(fù)極材料要求具有：1）在鋰離子的嵌入反應(yīng)中自由能變化小；2）鋰離子在負(fù)極的固態(tài)結(jié)構(gòu)中有高的擴(kuò)散率；3） 高度可逆的嵌入反應(yīng)；4）有良好的電導(dǎo)率；5）熱力學(xué)上穩(wěn)定，同時與電解質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)研究工作主要集中在碳材料和具有特殊結(jié)構(gòu)的其它金屬氧化物。石墨、軟碳、中相碳

16、微球已在國內(nèi)有開發(fā)和研究,硬碳、碳納米管、巴基球C60等多種碳材料正在被研究中18 : 19: 20： 21J2223 。日本Honda ResearchandDevelopment CoLtd 的 K. Sato 等人利用聚對苯撐乙烯 （PolyparaphenylenePPP 的熱解產(chǎn)物 PPP- 700（以一定的加熱速度加熱PPP至700C,并保溫一定時間得到的熱解產(chǎn)物）作為負(fù)極，可逆容量高達(dá)680mA h/g。美國MIT的M J Matthews報道PPP- 700儲鋰容量（Storage capacity ）可達(dá)1170mA- h/g。若儲鋰容量為 1170mA- h/g，隨著鋰嵌入

17、量的增加，進(jìn)而提高鋰離子電池性能，筆者認(rèn)為今后研究將集中于更小的納米尺度的嵌鋰微結(jié)構(gòu)幾乎與研究碳負(fù)極同時，尋找電位與Li +/ Li電位相近的其他負(fù)極材料的工作一直受到重視鋰離子電池中所用碳材料尚存在兩方面的問題：1）電壓滯后，即鋰的嵌入反應(yīng)在 00. 25V之間進(jìn)行（相對于 Li +/Li ）而脫嵌反應(yīng)則在 1V左右發(fā)生;2）循環(huán)容量逐漸下降，一般經(jīng)過1220次循環(huán)后，容量降至400500mA h/g。理論上的進(jìn)一步深化還有賴于各種高純度、結(jié)構(gòu)規(guī)整的原料及碳材料的制備和更為有效的結(jié)構(gòu)表征方法的建立。日本富士公司開發(fā)出了鋰離子電池新型錫復(fù)合氧化物基負(fù)極材料，除此之外，已有的研究主要集中于一些金

18、屬氧化物，其質(zhì)量比能量較碳負(fù)極材料大大提高。如SnQ，WQ，MoC2，VO2，TiO 2, Li xFezQLi 45。2，口 4MnO2等24,但不如碳電極成熟。鋰在碳材料中的可逆高儲存機(jī)理主要有鋰分子Li 2形成機(jī)理、多層鋰機(jī)理、晶格點(diǎn)陣機(jī)理、彈性球-彈性網(wǎng)模型、層-邊端-表面儲鋰機(jī)理、納米級石墨儲鋰機(jī)理、碳-鋰-氫機(jī)理和微孔儲鋰機(jī)理。石墨,作為碳材料中的一種，早就被發(fā)現(xiàn)它能與鋰形成石墨嵌入化合物（Graphite Intercalation Compounds ） LiC6，但這些理論還處于發(fā)展階段。負(fù)極材料要克服的困難也是一個容量循環(huán)衰減的問題，但從文獻(xiàn)可知，制備高純度和規(guī)整的微結(jié)構(gòu)碳

19、負(fù)極材料是發(fā)展的一個方向。般制備負(fù)極材料的方法可綜述如下1） 在一定高溫下加熱軟碳得到高度石墨化的碳；嵌鋰石墨離子型化合物分子式為LiC6，其中的鋰離子在石墨中嵌入和脫嵌過程動態(tài)變化，石墨結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的關(guān)系，不可逆電容量損失原因和提高方法等問題，都得到眾多研究者的探討。2） 將具有特殊結(jié)構(gòu)的交聯(lián)樹脂在高溫下分解得到的硬碳，可逆電容量比石墨碳高，其結(jié)構(gòu)受原料影響較大，但一般文獻(xiàn)認(rèn)為這些碳結(jié)構(gòu)中的納米微孔對其嵌鋰容量有較大影響，對其研究主要集中于利用特殊分子結(jié)構(gòu)的高聚物來制備含更多納米級微孔的硬碳25 : 26 : 27.3） 高溫?zé)岱纸庥袡C(jī)物和高聚物制備的含氫碳28 : 29。這類材料具有6

20、00900mA h/g的可逆電容量，因 而受到關(guān)注，但其電壓滯后和循環(huán)容量下降的問題是其最大應(yīng)用障礙。對其制備方法的改進(jìn)和理論機(jī)理解釋將是研究的重點(diǎn)。4）各種金屬氧化物其機(jī)理與正極材料類似24 ，也受到研究者的注意，研究方向主要是獲取新型結(jié)構(gòu)或復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。5）作為一種嵌鋰材料，碳納米管、巴基球 C60等也是當(dāng)前研究的一個新熱點(diǎn)，成為納米材料研究的一個分支。碳納米管、巴基球 C60的特殊結(jié)構(gòu)使其成為高電容量嵌鋰材料的最佳選擇22 23: 30。從理論上說，納米結(jié)構(gòu)可提供的嵌鋰容量會比目前已有的各種材料要高，其微觀結(jié)構(gòu)已被廣泛研究并取得了很大進(jìn)展，但如何制備適當(dāng)堆積方式以獲得優(yōu)異性能的電

21、極材料，這應(yīng)是研究的一個重要方向3132 33。3結(jié)語綜上所述,近年來鋰離子電池中正負(fù)極活性材料的研究和開發(fā)應(yīng)用，在國際上相當(dāng)活躍，并已取得很大進(jìn)展。 材料的晶體結(jié)構(gòu)規(guī)整，充放電過程中結(jié)構(gòu)不發(fā)生不可逆變化是獲得比容量高，循環(huán)壽命長的鋰離子電池的關(guān)鍵。然而，對嵌鋰材料的結(jié)構(gòu)與性能的研究仍是該領(lǐng)域目前最薄弱的環(huán)節(jié)。鋰離子電池的研究是一類不斷更新的電池 體系，物理學(xué)和化學(xué)的很多新的研究成果會對鋰離子電池產(chǎn)生重大影響，比如納米固體電極，有可能使鋰離子電池有更高的能量密度和功率密度，從而大大增加鋰離子電池的應(yīng)用范圍。總之，鋰離子電池的研究是一個涉及化學(xué)、物理、材料、能源、電子學(xué)等眾多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。目前

22、該領(lǐng)域的進(jìn)展已引起化學(xué)電源界和產(chǎn)業(yè)界的極大興 趣。可以預(yù)料，隨著電極材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究的深入，從分子水平上設(shè)計出來的各種規(guī)整結(jié)構(gòu)或摻雜復(fù)合結(jié) 構(gòu)的正負(fù)極材料將有力地推動鋰離子電池的研究和應(yīng)用。鋰離子電池將會是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，在今后相當(dāng) 長一段時間內(nèi)，市場前景最好、發(fā)展最快的一種二次電池鋰離子電池充電的工作原理就是指其充放電原理當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層 的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣道理，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的

23、鋰離子脫出，又運(yùn)動回到正極回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。不難看出，在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極t負(fù)極 t正極的運(yùn)動狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運(yùn)動健將，在搖 椅的兩端來回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個可愛的名字搖椅式電池。鋰離子電池是前幾年出現(xiàn)的金屬鋰蓄電池的替代產(chǎn)品，它的陽極采用能吸藏鋰離子的碳極，放電時，鋰變成 鋰離子，脫離電池陽極，到達(dá)鋰離子電池陰極。鋰離子在陽極和陰極之間移動，電極本身不發(fā)生變化。這是鋰離子電池與金屬鋰電池本質(zhì)上的差別。鋰離子電池的陽極為石墨晶體，陰極通常為二氧化鋰。充電時，陰極中鋰原子 電離成鋰離子和電