锂离子电池工作原理及优缺点

新能源技术被公认为21世纪的高新技术。电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已成为全球经济发展的一个新热点。当前世界电池工业发展的三个特点，一是绿色环保电池迅猛发展，包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；二是一次电池向蓄电池转化，这符合可持续发展战略；三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。锂离子电池是在锂电池的基础上发展起来的一种新型电池，主要由正极、负极、电解液、电极基材、隔离膜和罐材等材料组成。在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。相对于传统的铅酸电池 和镍氢、镉镍电池而言，锂离子电池比容量高、循环 寿命长、安全性能好，将逐步取代镍氢、镉镍等电池。锂离子电池广泛的应用于便携式摄放一体机、游戏机、手机、笔记本电脑和电动汽车等方面。本文就锂离子电池材料的工作原理及优缺点进行简单介绍。构造及原理锂离子电池是指以两种不同的能够可逆地嵌入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。充电时，锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到负极中；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入到正极中。以以钴酸锂为正极材料的锂离子电池为例：充电时的电极反应：正极：LiCoO2 Li1-xCoO2+xLi+ + xe-负极：6C + xLi+ + xe- LixC6总反应：LiCoO2 +6C Li1-xCoO2+LixC6摘自百度百科；锂离子电池放电时：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。正极 锂离子电池的正极材料须具备以下主要性质：1、 吉布斯自由能高，以提供较高的电池电压。2、 相对分子量小，能容纳的锂的量多，以提供较大的电池容量。3、 具有大孔径隧道结构以利于锂离子的嵌入和脱出。4、 极性弱，以保证良好的可逆性。5、 热稳定性良好，以保证工作的安全。6、 重量轻、易于制作。可以作为正极的材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiFePO4、LiV3O8、LiVO2、LiV2O4、Li6V5O15、LiCo0.2Ni0.8O2、LiCo0.5Ni0.5O2、LiNixMnyCo1-x-yO2 。几种正极材料的性能比较：正极材料平均输出电压能量密度LiCoO23.7 V140 mAh/gLi2MnO33.7 V100 mAh/gLiFePO43.2 V130 mAh/gLi2FePO4F3.6 V115 mAh/g负极 锂电负极材料要求具有：1、正负极的电化学位差大，从而可获得高功率电池；2、锂离子的嵌入反应自由能变化小；3、锂离子的可逆容量大，理离子嵌入量的多少对电极电位影响不大，这样可以保证电池稳定的工作电压；4、高度可逆嵌入反应，良好的电导率，热力学稳定的同时还不与电解质发生反应；5、循环性好，具有较长循环寿命；6、锂离子在负极的固态结构中具有高扩散速率；7、材料的结构稳定、制作工艺简单、成本低。目前，锂离子电池负极材料主要是：炭材料(石墨、无定性炭、炭纤维、焦炭、MCMB、纳米炭管)和非炭材料(合金、金属及其氧化物)。石墨导电性好，结晶程度高，具有良好的层状结构，十分适合锂离子的反复嵌入-脱嵌，是目前应用最广泛、技术最成熟的负极材料。锂离子嵌入石墨层间后，形成嵌锂化合LixC6（0x1），理论容量可达372mAh/g（x=1），反应式为：xLi+6C+xe-LixC6 。 电解质溶液由于锂离子电池负极的电位与锂接近，比较活泼，在水溶液体系中不稳定，必须使用非水、非质子性有机溶剂作为锂离子的载体。电解质锂盐是提供锂离子的源泉，保证电池在充放电循环过程中有足够的锂离子在正负极来回往返，从而实现可逆循环。因此必须保证电极与电解液之间没有副反应发生。为了满足以上要求就需要将锂盐溶于特定的有机溶剂并控制有机溶剂和锂盐的纯度和水分等指标，以确保电解液在电池工作时充分、有效的发挥作用。常见的有机溶剂有：环状碳酸酯（PC、EC）、链状碳酸酯（DEC、DMC、EMC）、羧酸酯类（MF、MA、EA、MP）等；常见的锂盐：LiBF4、LiPF6、LiClO4、LiAsF6等。此外，为了使电解质溶液的各种性质符合制作电池的要求，还会向其中加入多种添加剂，如：成膜添加剂、阻燃添加剂、过充保护添加剂等。隔膜 隔膜尽管并不参与电池中的电化学反应，但却是锂电池中关键的内层组件。电池的容量、循环性能和充放电电流密度等关键性能都与隔膜有着直接的关系，隔膜性能的改善对提高锂电池的综合性能起着重要作用。在锂电池中，隔膜吸收电解液后，可隔离正、负极，以防止短路，但同时还要允许锂离子的传导。而在过度充电或者温度升高时，隔膜还要有高温自闭性能，以阻隔电流传导防止爆炸。不仅如此，锂电池隔膜还要有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性、生物相容性好、无毒等特点。液态电解质锂离子电池所用隔膜可以分为：微孔高分子膜，非织造布及复合隔膜。由于具有加工成本较低和机械性能较好的优点，微孔高分子膜膜使用最广泛。非织造布的优点是成本低和热稳定性好。而复合隔膜由于提供了极好的热稳定性和对非水电解质的侵润性，近来也引起很大的关注。保护电路摘自百度百科；锂离子电池内部短路示意内部短路的保护 过度充电、过度放电以及电流过大的情况会导致电池内部发生化学副反应,该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，损坏电池结构，并可能产生大量气体，严重时可能使电池内部压力迅速增大引发爆炸，因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路，用于对电池当前的充、放电状态进行监控，以保证电池工作在正常的状态下，防止对电池的损害以避免安全事故。保护电路中包括过度充电、过度放电保护和短路（电流过大）保护，它主要由集成保护电路IC、贴片电阻、贴片电容、场效应管(MOSFET) 、有的还有热敏电阻(NTC)、识别电阻(ID)、保险丝(FUSE)等构成。锂离子电池的优点一、 超长寿命，锂离子电池的循环寿命可以达到两千次以上、使用 寿命可以达到78年，远高于长寿命的铅酸二次电池。二、 快速充电，1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷酸铁锂电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。三、 耐高温，锰酸锂和钴酸锂电池的电热峰值可达200左右，而磷酸铁锂达到了350500。四、 工作电压高，单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。六、 无记忆效应，可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。锂离子电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。七、 体积比能量、质量比能量高，能达到的实际质量比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，重量是铅酸电池的1/3。八、自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。九、工作温度范围宽,工作温度约在-25+45,随着电解质和正极材料的改进,尚可拓到-4070。八、没有环境污染,绿色环保电池的佼佼者,而残留容量的测试又比较方便,无需维修。锂离子电池的缺点一、衰老，与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。 储存温度与容量永久损失速度的关系：充电电量储存温度0储存温度25储存温度40储存温度6040%60%2%/年4%/年15%/年25%/年100%6%/年20%/年35%/年80%/6月二、不耐受过度充电、过度放电和大电流放电，因此需要保护电路、排气孔等多重保护机制。三、电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较少），电解质体系提纯困难。经过阅读各类的参考资料，我发现锂离子电池这个课题涉及的知识领域非常广，集合了多种高新技术和新型材料。而我们选择的材料部分不但射击多种无机材料、有机溶剂、复合材料，而且精细到了纳米层面，还有很多的知识等着我们去学习。经过对锂离子电池的了解，我觉得锂离子电池世纪具有发展前景的跨时代的发明。它利用锂元素分子量小而性质活泼而且相对氢更易