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如何在10分钟内搞懂锂离子电池及组成？

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锂离子电池工作原理

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。

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。

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。

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。

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。

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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锂电池VS铅酸电池，谁是电池之王？锂电池的未来又在哪里？

现在市面上汽车类的电池，一般分为锂电池和铅酸电池两类，但是在所有人看来，锂电池却比铅酸电池要好得多，这是为什么呢？

咱们钟爱的锂电池，到底比铅酸电池好在哪？锂电池环保高效的背后，又是怎样的原理？有传言说锂材料马上就要用完了，这是空穴来风还是确有其事，这一论调是谁提出来的，如果是真的，那么锂电池的未来在哪里？

锂电池有多重要？没有锂电池，我们的手机电脑或许将变成一堆废品。锂电池为什么好？因为它高效节能而且环保，是人类新能源发展的标杆，代表了人类未来能源的发展方向。

看完了这些，有朋友就提出意见了，这些我们都知道，都是空话，我们要听实际的。接下来，咱们就从三点来分析一下锂电池和铅酸电池的优劣对比。

第一点，先说体积和重量，这或许也是很多电动汽车主们关心的问题，毕竟谁也不想自己的车上时时刻刻搭载着一个大铁驼子。在这一方面，锂电池拥有着不小的优势。重量35KG的常规铅酸电池达到的容量，重量不到10KG的锂电池就可以做到。而且同等容量的锂电池，体积也只有铅酸电池的二分之一不到。在续航能力上，根据放电曲线，锂电池也要优于铅酸电池。在面对严寒的时候，铅酸电池已经败下阵来，续航能力在零下十度的环境中直接减少了一半，如果温度到了零下二十度，铅酸电池的续航能力直接归于零。但是锂电池却不一样，在这样的环境中，续航能力依旧不会受到太大影响。

第二点，使用寿命。锂电池的使用寿命要远远高于铅酸电池。铅酸电池的普遍寿命在1年左右，当然了这里的一年指的是大多数商家给我们保证的寿命，但是在锂电池上，商家给我们担保的寿命却基本都是三年打底。因为铅酸电池寿命太短所以商家只敢保一年，而锂电池因为寿命太长，哪怕商家含蓄一些，担保的时间都是铅酸电池的几倍。除了这些，在自放电率上，锂电池也要远远优于铅酸电池。亏电报废相信是很多电动车主们都头疼的问题，这点在铅酸电池的身上体现的是淋漓尽致，这主要是因为铅酸电池的自放电率很高，即使你不使用，它还是会自己偷偷放电，时间久了，电池就出问题了。但是相比之下，锂电池却几乎不会有这个问题。

第三点，也是咱们大家都熟知的环保问题。简单理解就是，铅酸电池当中的铅是重金属，对于环境的破坏更大，而锂电池对于环境的危害却小了很多。在低碳环保席卷全球的当下，哪一款产品更环保，对于环境的危害越小，往往就更有市场。

在这里有朋友提出了问题，锂电池的环保和高效是通过什么样的原理实现的呢？

锂电池分为锂金属电池和锂离子电池，咱们用得较多的是锂离子电池。以锂离子电池举例，简单地来说，其功能是通过锂离子在正负极之间的来回移动实现的。充电的时候，锂离子离开了正极，经过正负极之间的电解液，投入了负极的怀抱，关于这一过程，专业的来说叫脱嵌和嵌入。也正是因为锂离子的跑来跑去，锂电池又得到了另外的称呼——摇椅电池。

相比之下的锂金属电池就要逊色一些，因为是通过锂的氧化或者腐蚀来实现放电的，所以基本上就是个一次性产品，但却是高能量密度储存设备发展的一个方向。所以这二者都很强，当然了要说可循环环保的话还是要看锂离子电池。

看到这里，大家是不是觉得，既然锂电池如此优秀，那么在市场上肯定是碾压铅酸电池的吧？并不是，要是真的能碾压，现在市场上也就基本看不到铅酸电池了，究其原因有这么几条。第一点那就是价格问题，咱们在刚刚也说过了，锂电池的体积和重量都要小于铅酸电池，所以锂电池的制造难度就更高，于是价格也就更贵。

对于市场来说，产品的优劣是一方面，几个也是一方面。第二点，对于普通的电动车来说，铅酸电池就够用了，完全能够满足需要，所以相比之下价格较高的锂电池就显得不是那么出彩。并且因为锂电池比较娇贵，而且返修时间长，于是消费者的选择大都集中在价廉结实的铅酸电池上。

但是不管怎么说，锂电池才是未来新能源电池发展的方向，并且随着技术的进步，以上的这些问题都终将解决。

在这里有朋友提出了意见，既然你说锂电池是未来发展的方向，可是在开头的还是又说锂资源马上就用完了，这不是自相矛盾吗？

并不是，锂资源在未来的十年可能就被用完了，提出这一论调的可不是一般人，而是锂电池之父——斯坦利·惠廷汉姆，一位获得诺贝尔化学家的大人物。之所以锂资源将被耗尽是因为新能源产业的大量发展，导致锂的消耗加剧。这样严苛的环境也对锂电池的发展提出了更高的要求，概括来说自然是更先进，就是提高锂电池的能量，提升其能源密度。

而在锂电池的研究上，来自美国宾夕法尼亚州立大学的王朝阳，在这一方面取得了巨大的突破。他在电池和储能方面的研究以及材料的创新，为我们打开了另一扇大门。到目前，王朝阳和他的团队已经研究出了全气候电池、十分钟快充电池、硕安电池以及低成本的热调控磷酸铁锂电池，而这只是开始。

从王朝阳的研究当中，我们或许该思考这样一个问题，科学技术给我们带来的，究竟是什么，是更好的生活，还是人类整体层次的跃迁和进化？能源的应用到最后是一个怎样的状态？现在人类对于能源的应用以及自身目标的实现还要依靠外物，发电要靠火力、风力以及太阳能，出行要依靠火车飞机等工具，这是否是对于我们的制约？

如果有一天科技的发展让我们摆脱外物的依赖，依靠人体自身就能够实现各种能源的利用和释放，人体本身就成为了一块高能电池，那将是一个什么样的场景？或者这才是人类能源发展到最后的呈现方式。或许最大的能源就隐藏在人类的基因深处，只是我们从未发觉。

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