锂电池主要结构 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？

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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

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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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锂电池的基本结构和重要组成材料｜蒲迅技术

锂电池的根本组成及重要组成，锂离子电池是化学电源的一种。化学电源在完结能量变换进程中，有必要具有以下条件。

① 组成电池的两个电极进行氧化复原反响的进程，有必要别离在两个分隔的区域进行，这有别于通常的氧化复原反响。

② 两种电极活性物进行氧化复原反响时，所需求的电子有必要由外电路传递，它有别于腐蚀进程的微电池反响。

为了满意以上条件，不管电池是什么系列、形状、巨细，均由以下几个有些组成：电极（活性物质）、电解液、隔阂、黏结剂、外壳；别的还有正、负极引线，中间端子，绝缘资料，安全阀，PTC（正温度操控端子）等也是锂离子电池不可或缺的有些。下面简明介绍锂离子电池中的首要几个组成有些，即电极资料、电解液、隔阂和黏结剂。

一、电极材料

电极是电池的中心，由活性物质和导电骨架组成。正负极活性物质是发生电能的源泉，是决议电池根本特性的重要组成有些。如在锂离子电池中，当前商品化的锂离子电池的正极活性物质通常为LiCoO2，当前科学研究的热门正在朝着无钴资料尽力，市场上也有有些正极资料选用LiMn2O4等。

电源内部的非静电力是将单位正电荷从电源负极经内电路移动到正极进程中做的功。电动势的符号是ε，单位是伏（V）。电源是一种把其他方式能转变为电能的设备。要在电路中保持恒定电流，只要静电场力还不行，还需求有非静电力。电源则供给非静电力，把正电荷从低电势处移到高电势处，非静电力推进电荷做功的进程，即是其他方式能变换为电能的进程。

电动势是表征电源发生电能的物理量。不一样电源非静电力的来历不一样，能量变换方式也不一样。如化学电动势（干电池、钮扣电池、蓄电池、锂离子电池等）的非静电力是一种化学作用，电动势的巨细与电源巨细无关；发电机的非静电力是磁场对运动电荷的作用力；光生电动势（光电池）的非静电力来历于内光电效应；而压电电动势（晶体压电焚烧、晶体话筒等）来历于机械功形成的极化表象。

当电源的外电路断开时，电源内部的非静电力与静电场力平衡，电源正负极两头的电压等于电源电动势。当外电路接通时，端电压小于电动势。

⑦ 用量少 价格低廉

二、电池拼装技能

依照锂电池的结构描绘和描绘参数，怎么制备出所挑选的电池资料并将其有效地组合在一起，并拼装出契合描绘需求的电池，是电池生产技能所要处理的疑问。由此可见，电池的生产技能是不是合理，是关系到所拼装电池是不是契合描绘需求的要害，是影响电池功能最重要的进程。

参阅AA型Cd/Ni、MH/Ni电池的生产技能进程，联系对AA型锂离子电池的结构描绘和锂离子电池资料的功能特色及重复的实验，来断定的AA型锂离子电池生产技能进程。

AA型锂离子电池生产技能进程触及四个工序：①正负极片的制备；②电芯的卷绕；③拼装；④封口。这与传统的AA型Cd/Ni电池的生产进程并无太大差异，但在技能上，锂离子电池要杂乱得多，而且对环境条件的需求也要严苛得多。锂离子电池的制作技能技能十分严厉、需求杂乱。下表列出了石墨/LiCoO2系圆柱形锂离子电池制作技能有关参数。

其中正负电极浆料的制作、正负极片的涂布、枯燥、辊压等制备技能、电芯的卷绕对电池功能影响最大，是锂离子电池制作技能中最要害的进程。下面临这些技能进程作扼要的介绍。

为避免金属锂在负极团体流上铜部位分出而导致安全疑问，需求对极片进行技能改善，铜箔的双面需用碳浆涂布。锂离子电池的技能流程的首要工序如下

① 制浆 　用专用的溶剂和黏结剂别离与粉末状的正负极活性物质混合，经高速拌和均匀后，制成浆状的正负极物质。

② 涂装 　将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的外表，烘干，别离制成正、负极极片。

③ 安装 　按正极片一隔阂一负极片一隔阂自上而下的次序放好，经卷绕制成电池芯，再经写入电解液、封口等技能进程，即完结电池的安装进程，制成制品电池。

④ 化成 　用专用的电池充放电设备对制品电池进行充放电测验，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的制品电池，待出厂。

从描绘需求来说，因为18650锂电池壳体选定为AA型（∮14mm×50mm），则电池结构描绘首要指电池盖、电池拼装的松紧度、电极片的尺度、电池上部空气室的巨细、南北极物质的配比等描绘。对它们的描绘是不是合理将直接影响到电池的内阻、内压、容量和安全性等功能。

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