锂离子锂电池 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？

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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：

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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

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王伟东. 锂离子电池三元材料工艺技术及生产应用

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浅谈6种主要的锂离子电池

锂离子电池作为电动汽车和储能系统的关键技术。大多数锂离子电池的阳极由石墨制成。阴极材料通常含有锂和其他矿物质，包括镍、锰、钴或铁。以下是六种不同类型的锂离子电池。

1 镍锰钴氧化锂（NMC）

NMC 正极通常含有大量镍，可提高电池的能量密度，延长电动汽车的续航里程。但是，过高含量的镍会使电池不稳定，因此需要使用锰和钴来提高热稳定性和安全性。一些 NMC电池已经得到广泛应用，包括 NMC811（由 80% 镍、10% 锰和 10% 钴组成）、NMC532 和 NMC622。

用途

与 LMO 电池类似，NMC 电池在电动工具以及电动自行车、滑板车和一些电动汽车的动力系统中也很受欢迎。

优点

与LTO电池相比，NMC 电池具有能量密度高、生命周期长、成本低等优点。此外，NMC 电池的热稳定性也高于 LCO 电池，因此总体上更加安全。

缺点

NMC 电池的主要缺点是电压略低于LTO电池。

2 镍钴铝氧化锂（NCA）

NCA 电池与 NMC 电池一样具有以镍为基础的优势。NCA 使用铝代替锰，以提高稳定性。不过，NCA 阴极的安全性相对低于其他锂离子技术，价格也更高，通常只用于高性能电动车型。

用途

NCA 电池能够在高负载应用中发挥性能，而且电池寿命长，因此在电动汽车市场很受欢迎。特别是，NCA 是特斯拉的首选电池。

优点

NCA 电池的最大优点是能量高、寿命长。

缺点

采用 NCA 技术的电池不如大多数其他锂电池技术安全，而且价格昂贵。

3 磷酸铁锂（LFP）

由于使用铁和磷酸盐代替镍和钴，磷酸铁锂电池的制造成本比镍基电池低。不过，它们的能量密度较低，更适合标准或短程电动汽车。此外，LFP 被认为是最安全的电池之一，而且使用寿命长，因此可用于储能系统。

磷酸铁锂（LFP）电池使用磷酸盐作为阴极材料，石墨碳电极作为阳极。磷酸铁锂电池寿命长，具有良好的热稳定性和电化学性能。

用途

LFP 电池的标称电压为 3.2 伏，因此将四个 LFP 电池串联在一起就能产生 12.8 伏的电池。这使得 LFP 电池成为替代铅酸电池最常见的锂电池类型。

优点

磷酸铁锂电池最主要的优点还是耐用、使用寿命长和安全。

磷酸铁锂电池的生命周期通常为 2,000 次或更长。与铅酸电池不同，放电深度对 LFP 电池寿命的影响很小。

磷酸铁锂电池所使用的材料具有低电阻的特性，使其具有很好的安全性和高稳定性。磷酸铁锂电池是最安全的锂电池之一。

缺点

LFP 电池有几个缺点。首先，与其他类型的锂电池相比，它们的能量密度相对较低。在低温条件下，它们的性能也会受到影响。

4 钴酸锂（LCO）

虽然 LCO 电池能量密度高，但其缺点是寿命相对较短、热稳定性低、功率密度有限。因此，这些电池是智能手机和笔记本电脑等低负荷应用的热门选择，因为它们可以长时间提供相对较小的功率。

用途

LCO 电池常见于小型便携式电子产品，如手机、平板电脑、笔记本电脑和相机。

优点

LCO 电池的主要优点是能量密度高。它能够在低负荷应用中提供相对较长的供电时间。

缺点

LCO 电池有一些明显的缺点。首先，LCO 电池的寿命相对较短，通常在 500-1000 次循环之间。此外，钴相当昂贵。昂贵的电池寿命不长，不符合成本效益。

钴酸电池的热稳定性也不好，因此安全性相对较差。LCO电池不能胜任高功率输出的应用环境。

5 氧化锰锂（LMO）

LMO 电池又称尖晶石锰电池，具有更高的安全性和快速充放电能力。在电动汽车中，LMO 正极材料通常与 NMC 混合使用，其中 LMO 部分可在加速时提供大电流，而 NMC 则可实现更长的行驶里程。

锂锰氧化物（LMO）电池使用锂锰氧化物作为阴极材料。这种化学成分可形成三维结构，从而改善离子流动、降低内阻、提高耐电流能力，同时改善热稳定性和安全性。

用途

锂锰氧化物电池通常用于便携式电动工具、医疗仪器以及一些混合动力汽车车和电动汽车。

优点

锂锰氧化物电池充电快，输出功率高。它们可以在更高的温度下安全运行。

LMO 电池的另一个优点是灵活性。调整内部化学成分可以优化 LMO 电池，使其能够处理高负荷应用或长寿命应用。

缺点

LMO 电池的主要缺点是寿命短。通常情况下，LMO 电池的充电周期为 300-700 次，明显少于其他类型的锂电池。

6 钛酸锂（LTO）

与上述其他化学物质不同的是，LTO 电池（Li4Ti5O12）是一种以钛酸锂为正极的锂离子电池。它具有安全性高、稳定性强、性能优异、循环寿命长、环境友好等特点，已被广泛应用。它具有自放电低、安全性高、循环寿命长、工作温度范围宽、充放电速度快等特点。

钛酸锂（Li4Ti5O12）技术是当今的未来趋势。钛酸锂电池的循环寿命超过 20000 次，并具有快速充放电特性。由于采用了钛酸纳米技术，LTO 电池比市场上的铅酸电池、锂离子电池和其他类型的电池能更好地应对低温环境。

这种电池非常安全，使用寿命长，充电速度比任何其他类型的锂电池都快。

用途

电动汽车和充电站、不间断电源、风能和太阳能储能、太阳能路灯、电信系统以及航空航天和军事设备等。钛酸锂电池具有极宽的工作温度范围，因此可用于航空航天领域。

优点

LTO 电池具有许多优点，包括充电速度快、工作温度范围极宽、使用寿命长以及因其稳定性而具有极高的安全性。

缺点

LTO 电池需要克服一些重大障碍。与其他一些锂技术相比，它们的能量密度较低。此外，它们还非常昂贵。

文章来源：TechPlus工坊

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