锂电池内部结构 如何在10分钟内搞懂锂离子电池及组成？

如何在10分钟内搞懂锂离子电池及组成？

【能源人都在看，点击右上角加“关注”】

充电过程中，在外加电场作用下，锂离子从电池内部由正极向负极传输，电流经由外电路从负极流向正极，内部保持电中性（电子同时经由外电路从正极流向负极）。放电过程则相反，锂离子与电子从负极回到正极中，外电路电流则从正极流向负极。除了嵌入式反应外，锂离子电池中的反应机制还包括：两相反应(Phase transition mechanism)、转换反应(Conversion reaction mechanism)、化学键反应(Reversible chemical bonding mechanism)、表面存储(Surface charging mechanism)、自由基反应(Organic free radical mechanism)、欠电势沉积(Underpotential deposition mechanism)、界面储存(Interfacial charging mechanism)等反应机制。

1

锂离子电池的组成

锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜组成，此外电池内还包括粘结剂、导电炭黑、集流体、极耳、封装材料等组成部分。各主要组分有以下特点：

★ （1）能可逆脱嵌锂的活性材料为正负极；正极一般是氧化还原电位较高的过渡金属氧化物（LiMO2：M是Mn、Co、Ni中的一种或几种），负极是氧化还原电位较低的可嵌锂脱锂的活性材料，如石墨、Si、Sn合金等；

★ （2）电解液为锂电池正负极之间的传输媒介，一般为溶有锂盐的碳酸酯类有机溶剂，锂盐主要有 LiPF6、LiClO4等；

★ （3）隔膜是具有一定孔隙率且电子绝缘的微孔薄膜，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），隔膜的主要作用是分离电池正负极，避免正负极接触而发生短路，当电池内部由于短路温度升高到超过隔膜耐受温度时，常用的 PP/PE 会融化，封闭孔隙以阻止Li+通过，防止电池燃烧爆炸。

1

锂离子电池正极材料

锂离子电池的正极材料是二次锂电池的重要组成部分，它不仅作为电极材料参与电化学反应，还要作为锂离子源。在设计和选取锂离子电池正极材料时，要综合考虑比能量、循环性能、安全性、成本及其对环境的影响。

理想的锂离子电池正极材料应该满足以下条件：

①比容量大：要求正极材料有低的相对分子质量，且其宿主结构中能插入大量的Li+；

②工作电压高：要求体系放电反应的Gibbs自由能负值要大；

③充放电的高倍率性能好：要求电极材料内部和表面具有较高的扩散速率；

④安全性能好：要求材料具有较高的化学稳定性和热稳定性；

⑤容易制备，对环境友好，价格便宜。

锂离子电池正极材料一般为含锂的过渡金属氧化物和聚阴离子化合物。因为过渡金属往往有多种价态，可以保持锂离子嵌入和脱出过程的电中性；另嵌锂化合物具有相对于锂的较高的电动势，可以保证电池具有开路电压。一般来说相对于锂的电势，过渡金属氧化物大于过渡金属硫化物。

在过渡金属氧化物中，相对于锂的电势顺序为：3d过度金属氧化物>4d过度金属氧化物>5d过度金属氧化物；而在3d过度金属氧化物中，尤以含Co、Ni、Mn元素的锂金属氧化物为主。

目前商品化的锂电池正极材料普遍采用插锂化合物，如LiCoO2，其理论比容量274mA·h·g-1，实际比容量146mA·h·g-1左右。Li(NiCoMn)O2三元材料，其理论比容量与LiCoO2相近，但实际比容量根据组分略有差异。

LiMn2O4材料理论比容量148mA·h·g-1，实际比容量115mA·h·g-1；LiFePO4材料理论比容量170mA·h·g-1，实际比容量可达150mA·h·g-1左右。

如今，正极材料的主要发展思路是在LiCoO2、LiMnO2、LiFePO4等材料的基础上，发展相关的各类衍生材料，其中以三元材料NCM的应用较为广泛。

1

锂离子电池负极材料

负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，理想的负极材料应满足以下几个条件：

①嵌脱Li反应具有低的氧化还原电位，使锂离子电池具有较高的输出电压；

②Li嵌入脱出的过程中，电极电位变化较小，以保证充放电时电压波动较小；

③嵌脱Li过程中的结构稳定性和化学稳定性较好，使电池具有较高的循环寿命和安全性；

④具有较高的可逆比容量；

⑤良好的锂离子和电子导电性，以获得较高的充放电倍率和低温充放电性能；

⑥嵌Li电位如果在1.2V以下，负极表面应能生成致密稳定的固体电解质膜（SEI），从而防止电解质在负极表面持续还原，不可逆消耗正极的Li；

⑦制备工艺简单，易于规模化，制造和使用成本低；

⑧资源丰富，环境友好。

根据负极与锂反应机理可把众多的负极材料分为3类：插入反应电极、合金反应电极和转换反应电极。其中插入反应电极主要指碳负极、TiO2基负极材料；合金反应电极具体是指锡或硅基的合金及化合物；转换反应电极指通过转换反应而对锂有活性的金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物、金属氮化物、金属磷化物、金属氟化物等。

目前负极主要集中在碳负极、钛酸锂及硅基等合金类材料，采用传统碳负极基本满足消费电子、动力电池、储能电池的要求，采用钛酸锂为负极可满足电池高功率密度、长循环寿命的要求，有望进一步提高电池能量密度。

当前商品化的锂离子电池负极有两类。一类为碳材料，如天然石墨、人工合成石墨、中间相碳微球（MCMB)等。与天然石墨相比，MCMB电化学性能比较优越，主要原因是颗粒的外表面均为石墨结构的边缘面，反应活性均匀，易于形成稳定的SEI膜，有利于Li的嵌入脱嵌。

还有一类具有尖晶石结构的Li4Ti5O12负极材料，其理论比容量为175mA·h·g-1， 实际比容量可达160mA·h·g-1。虽然Li4Ti5O12工作电压较高，但是由于循环性能和倍率性能特别优异，相对于碳材料而言具有安全性方面的优势，因此这种材料在动力型和储能型锂离子电池方面有强烈的应用需求。但是易于电解液发生化学反应导致胀气引起电池鼓包。

下一代高容量的负极材料包括Si负极、Sn基合金。然而合金类负极材料面临高容量随高体积变化的问题，为解决体积膨胀带来的材料粉化问题，常采用合金与碳的复合材料，复合材料能在一定程度上提高现有锂离子电池的能量密度，但尚不及预期。

1

锂离子电池电解质

锂离子电池液体电解质一般由非水有机溶剂和电解质锂盐两部分组成。电解质的作用是电池内部正负极之间形成良好的离子导电通道。非水溶液电解质使用在锂电池体系时应该满足下述条件：

①电导率高，一般3×10-3～2×10-2S·cm-1；

②热稳定性好，在较宽的温度范围内不发生分解反应；

③电化学窗口宽，在0～4.5V范围内应是稳定的；

④化学稳定性高，不与正极、负极、集流体、隔膜、粘结剂等发生反应；

⑤对离子具有较好的溶剂化性能；

⑥没有毒性，蒸汽压低，使用安全；

⑦能够尽量促进电极可逆反应的进行，制备容易，成本低。

其中化学稳定性、安全性以及反应速率为主要因素。

锂电池有机电解液由高纯有机溶剂、电解质锂盐和必要添加剂组成。目前常用有机溶剂有碳酸乙烯酯，它具有比较高的分子对称性、较高的熔点、较高的离子电导率、较好的界面性质、能够形成稳定的SEI膜，解决了石墨负极的溶剂共嵌入问题。但必须与共溶剂一起添加使用。这些共溶剂主要包括碳酸丙烯酯和一些具有低粘度、低沸点、低介电常数的链状碳酸酯，如二甲基碳酸酯。此外其他链状碳酸酯也逐渐被应用于锂离子电池。

目前商业上应用的是LiPF6，LiPF6的单一性质并不是最优的，但其综合性能最有优势。LiPF6在常用有机溶剂中具有比较适中的离子迁移数、较好的抗氧化性能和良好的铝箔钝化能力，使其能与各种正负极材料匹配。但LiPF6的化学和热力学稳定性不够好，室温下便发生反应：LiPF6(s)→LiF(S)+PF5(g)，高温下分界尤其严重。PF5是强路易斯酸容易进攻有机溶剂中氧原子，导致溶剂的开环聚合和醚键裂解。其次，LiPF6对水比较敏感，痕量水的存在就会导致其分解，且产物引起界面电阻增大，影响锂离子电池的循环寿命，腐蚀电极与集流体，严重影响电池电化学性能。

除锂盐和溶剂外，添加剂也是电解液不可或缺的一部分。添加剂的特点是用量少但是能显著改善电解液某一方面的性能。不同添加剂有不同的作用，按其功能可分为：阻燃添加剂、成膜添加剂，还有些添加剂可以提高电解液的电导率、提高电池循环效率等。目前研究的功能添加剂主要有提高电池安全性的阻燃添加剂、耐过充添加剂，针对高电压电池的高电压电解液等，也有针对胀气鼓包等问题研究的特殊添加剂。

1

锂离子电池隔膜

对锂离子电池隔膜的要求：在电解液中具有良好的化学稳定性及一定的机械强度，并能耐受电极活性物质的氧化/还原作用，耐受电解液的腐蚀；隔膜对电解质离子运动阻力要小，进而减小电池内阻，使电池在大电流放电时能量损耗减少，这就需要一定的孔径和孔隙率；应是电子的良好绝缘体，并能阻挡从电极上脱落物质微粒和枝晶的生长；热稳定性和自动关断保护性能好。当然还要材料来源丰富，价格低廉。

锂电池隔膜材料的主要性能要求还有：厚度均匀性、力学性能、透气性能、理化性能等四大性能指标。锂电池隔膜材料根据不同理化特性，可分为：织造膜、无纺布、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜等几类。因聚烯类材料具有优异力学性能、化学稳定性和相对廉价的特点，至今商品化锂电池隔膜材料仍主要采用聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔薄膜。为提高动力电池安全性，在聚烯烃微孔薄膜基础上制备功能性复合隔膜，如陶瓷隔膜等。

参考资料：

刘芹. 高电压钴酸锂的改性及其储能特性的研究

谭铭. 高能量密度锂离子电池4.6V高电位钴酸锂正极材料研究

李卫. 动力锂离子电池正极材料锰酸锂的合成及性能研究

张杰男. 高电压钴酸锂的失效分析与改性研究

吴宇平. 锂离子电池——应用与实践

李泓. 锂离子电池基础科学问题

杜春雨. 锂离子电池高电压电解液

Zhou H H. Progress in studies of the electrode materials for Li ion batteries

王伟东. 锂离子电池三元材料工艺技术及生产应用

免责声明：以上内容转载自中国化学与物理电源行业协会，所发内容不代表本平台立场。

全国能源信息平台联系电话：010-65367827，邮箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社

锂电池里面的内部结构你见过吗？师傅拆开带你看下真实内部构造

在汽车维修店里，有这样一个年近六旬的老师傅，他叫张师傅。张师傅是个汽车维修领域的专家，他对于汽车的各个零部件了如指掌，尤其对于锂电池的内部结构有着独特的见解和经验。

我认识张师傅是在我车子出了一些问题的时候。当时，我的电动车出现了电池损坏的情况，车子的续航能力明显下降，行驶的里程也大打折扣。我心里着急又担忧，于是决定找个专业的师傅看看到底是怎么回事。

通过朋友介绍，我来到了张师傅的修车铺。铺子虽小，但是整洁有序，墙上挂满了各种汽车零部件的示意图，显得非常专业。我将车子的情况向张师傅一一说明，他一边听我叙述，一边若有所思地点着头。

"这很可能是电池内部结构出了问题。" 张师傅说道，"我可以帮你拆开电池，看看里面的情况。"

我心里有些犹豫，拆开电池这个操作听起来有些冒险，但我还是决定相信张师傅的经验和专业。

张师傅动手之前，他首先向我讲解了一些关于锂电池的基本知识。他告诉我，锂电池是由正极、负极、隔膜和电解质组成的，而这些部件的结构和材料质量直接影响着电池的性能和稳定性。他还细致地解释了锂电池的充放电原理和工作过程，让我对电池有了更深入的理解。

接下来，张师傅开始了拆解工作。他手法娴熟，动作间流露出多年修车的经验。很快，电池被打开，里面的内部结构显露无疑。

我看到了正极和负极之间的隔膜，以及电解质浸润其中，整个结构紧凑而精密。张师傅用手指轻轻指着各个部件，向我解释着它们的作用和相互关系。在他的讲解下，我逐渐明白了电池内部是如何完成电荷的储存和释放的。

与此同时，张师傅还分享了一些他修理汽车时遇到的有关电池的案例。有的是因为电池内部结构损坏导致电量无法储存，有的是因为电池的负极受潮氧化而失去了导电性，每一个案例都让我受益匪浅。

在整个拆解过程中，我深深感受到了张师傅对于汽车和技术的热爱，以及他对于每一个细节的严谨和认真。他不仅仅是一个普通的修车师傅，更是一个对待工作充满激情和责任感的专家。

最终，在张师傅的帮助下，我找到了电池损坏的原因，并及时进行了修复和更换。我的电动车恢复了往日的活力，行驶里程也恢复到了正常水平。我由衷地感谢张师傅的帮助和指导，他的专业知识和耐心解释让我受益良多。

通过这次经历，我不仅仅学到了关于锂电池内部结构的知识，更加深了对汽车维修领域的理解和认识。在未来，我也希望能够像张师傅一样，成为一个对汽车行业充满热情并且拥有专业技能的人。

汽车维修领域是一个充满挑战和机遇的行业，而锂电池作为新能源汽车的重要组成部分，其内部结构更是承载着技术和科学的深度。在未来的发展中，我们需要不断学习和探索，以应对汽车行业日益复杂和多变的需求。

张师傅的故事告诉我们，只有不断学习和提升自己的专业技能，才能在这个竞争激烈的行业中立于不败之地。我相信，通过我们的努力和奋斗，汽车维修领域一定会迎来更加美好的明天！

相关问答

锂电池是一种蓄电池,其内部结构由正极、负极、电解液和隔膜组成。正极材料通常是氧化物,负极材料是碳或锂合金,电解液是含有锂盐的有机溶剂。在充电时,锂离子...

内部都是3.2V或者3.7V电池串并联而成内部都是3.2V或者3.7V电池串并联而成

三元锂电池结构五大组成部分包括:正极、隔膜、负极、有机电解液、电池外壳。1、正极:活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,镍钴锰酸锂材料,电动自行车则普遍用镍...

[回答]在日常的用车过程当中难免会遇到一些小问题,比如:锂电池放电指的是什么意思锂电池充电放电原理,那么今天我们就一起来简单了解一下吧,相信会对你有...

[最佳回答]在上述反应中锂元素的化合价由0价转变为+1价,锰元素的化合价由+4价转变为+3价.由锂的原子结构可以知道,锂只有0价和+1价,因为锂单质的化合价受价,所...

锂离子电池电芯结构组成重要分为五个部分,分别是正负极极片,隔膜,极耳,包装膜和电解液。这每个部分都有自己相对应的用途。下面来看一下锂离子电池电芯结构的...

手机锂电池由多个组件构成,主要包括正极、负极、隔膜和电解质。正极一般采用氧化物作为材料,如锂钴氧或锂铁磷酸。负极采用石墨材料,隔膜用来阻止正负极直接接...

1、能量密度不同锂离子的电解质是液态的,以凝胶体、聚合物的形式存在,让电池的重量难以下降。固态电池的整体结构与传统锂离子电池相似,充放电方式也大同小...

[最佳回答]其实不光扣电,全电池注液后也会有电压,只是电压值微小,约0.3V左右,原因在于正负极在电解液中发生了类似离子交换反应,在电极/电解液界面存在离子吸...

星恒锂电池是由正极、负极、隔膜和电解液组成的。正极通常采用钴酸锂或三元材料,负极为石墨或硅基材料,隔膜则是将正负极隔离开的薄膜,电解液则是将正负极连接...