【锂离子电池的结构分析1700字】

锂离子电池的结构分析构成锂离子电池的重要组成部分有正极、负极、隔膜和电解液[3]（如图1.1）。图1.1锂离子电池结构示意图[4]其中正极材料极为重要，不仅要作为锂离子源，提供和嵌套锂离子，还要进行电化学反应。锂离子电池的正极材料首先要保证其安全性良好，有较好的化学稳定性和热稳定性，还要做到绿色环保，减小污染；其次要求有较大的比容量，使单位质量的正极材料能够储存和放出更多的能量；有较好的循环寿命，在经过多次锂离子的迁出与嵌入过程后，仍然能够保证材料的结构基本不变，使其相变尽可能小；正极材料在充放电过程中的倍率性能要好，因此要求锂离子在材料中有较高的迁移速率。目前常用锂离子电池正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及他们的衍生物。钴酸锂正极材料的理论比容量可以达到274mAhg-1，但是由于一些问题使得该材料的实际比容量只能达到大约150mAhg-1左右，其循环稳定性和安全性都较差，并且钴元素的价格比较贵；锰酸锂正极材料的理论比容量为148mAhg-1，实际比容量约为115mAhg-1左右，其循环稳定性也较差，但安全性较好，并且价格适中；磷酸铁锂正极材料的理论比容量为170mAhg-1，实际比容量约为140mAhg-1左右，其循环稳定性较好，安全性很好，价格也适中，但是该材料的锂离子迁移速率较低，不适用于较大倍率的充放电过程[4]。目前商业化的很多上述材料的衍生物，比如在钴酸锂材料中用锰元素、镍元素、铝元素等掺杂形成的三元层状氧化物正极材料，就兼具安全性、循环稳定性、较高比容量等优点（如图1.2）。图1.2锂离子电池正极材料容量对比[4]锂离子电池的负极材料在电池的充放电过程中，也存在着锂离子的脱出和嵌入过程，因此对于负极材料来说，也需要拥有较大的比容量，在脱出和嵌入锂离子的过程中要保证材料的结构和化学性质稳定，尽量减少结构变相和分解等副反应的发生，这样能够确保负极材料在充放电的循环过程中拥有良好的稳定性与安全性。为了保证在较高倍率下和低温条件下进行充放电的性能较好，需要负极材料具有良好的锂离子和电子导电性。在负极材料的电化学方面，要使锂离子的脱出与嵌入有较低的氧化还原电位，才能满足锂离子电池较高的工作电压，并且在锂离子的脱出与嵌入过程中，负极材料的氧化还原电位变化应该不大，这样可以使得锂离子电池工作电压保持稳定。目前已经商品化的锂离子电池负极材料主要有碳材料类和一种具有尖晶石结构的锂钛氧化物。碳材料类例如石墨等，拥有较低的氧化还原电位，负极的比容量很高，可以达到372mAhg-1，并且容易生成稳定的SEI膜，有利于锂离子的脱出与嵌入。锂钛氧化物负极材料的理论比容量虽然只有175mAhg-1，相对于金属锂/锂离子的电位也有1.5V，但是其循环稳定性和倍率性能却十分优异，并且相对于碳材料负极来说更加安全。锂离子电池的电解液一般由锂盐作为电解质和非水的有机溶剂组成，其作用是作为电池内部正负极之间运输锂离子的良好通道。电解液需要具有良好的导电性，一般要在3*10-3到2*10-2Scm-1之间，这样能使锂离子的运输速率较快。电解液在较宽的电压窗口范围内以及较大的温度范围内都需要有很好的稳定性，防止其分解影响电池正常工作甚至发生危险。目前常用的有机溶剂有碳酸乙烯酯，它的分子对称性较高，同时拥有较高的熔点、很高的锂离子电导率，其界面性质也较好，容易形成稳定的SEI膜，可以有效地解决石墨负极的一些问题，如溶剂共嵌入等。由于碳酸乙烯酯熔点较高，不能单独作为电解液的溶剂来使用，因此需要加入助溶剂，例如二甲基碳酸脂，二者的混合溶剂兼具了较高的抗氧化能力，拥有较低的粘度，并且对于锂盐的溶解度很大。商业上应用的锂盐电解质一般为六氟磷酸锂，其在常用有机溶剂中有适中的锂离子迁移速率，并且有着不错的抗氧化能力，是一种应用十分广泛的锂盐电解质。隔膜在锂离子电池内部起着分隔正负极材料、允许锂离子通过的作用。锂离子电池中的隔膜需要有较好的化学稳定性，不仅需要在电解液中保持稳定，还需要在正负极充放电发生氧化还原反应的过程中保持稳定。除此之外，隔膜对锂离子迁移的阻力要小，加快锂离子的迁移，减小电池的内阻，为了能够在较大电流的情况下进行充放电，需要隔膜材料具有一定的孔隙率。目前商业化的锂离子电池隔膜主要为聚乙烯或聚丙烯材料