锂离子电池的构造原理及应用

锂离子电池原理及设计教材

原理篇

电池原材料

化工类材料：正极：钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、三元材料

负极：人造石墨、中间相碳微球（沥青基）、针状焦、改性天然石墨

其他：隔膜、电解液、导电剂、PVDF、NMP、草酸、SBR、CMC、高温胶纸、铜箔、铝箔等

五金类材料：钢壳、铝壳、盖帽、隔圈、铝带、镍带、铝镍复合带等、铝塑膜等

电池原材料是决定电池性能的最重要的因素，电池性能的提升归根结底来自于电池材料的优化及更新 。

锂离子电池反应机理

锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳其反应示意图如下所示：

电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。

根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2等，其中LiCoO2是一种层状结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走XLi后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。通过研究发现当X>0.5时Li(1-X)CoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的电压及安全性能。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值，一般充电电压不大于4.2V。那么X小于0.5 ，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中，以保证下次充放电Li的正常嵌入，否则电芯的寿命很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压≤4 .2V，放电下限电压≥2.5V。

锂离子电池工作原理

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。

电池总反应

以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion

Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

正极 正极材料：可选正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

充电时：LiFePO?→ Li1-xFePO? + xLi + xe

放电时：Li1-xFePO?+ xLi + xe →LiFePO?

负极

负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。

充电时：xLi + xe + 6C →LixC6

放电时：LixC6 → xLi + xe + 6C

浅谈锂离子电池工作原理

1.锂离子电池工作原理—简介

锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。电池充电时，阴极中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向阳极运动与电子合成锂原子。放电时，锂原子从石墨晶体内阳极表面电离成锂离子和电子，并在阴极处合成锂原子。所以，在该电池中锂永远以锂离子的形态出现，不会以金属锂的形态出现，所以这种电池叫做锂离子电池。

2.锂离子电池工作原理—结构

锂离子电池是前几年出现的金属锂蓄电池的替代产品，电池的主要构成为正负极、电解质、隔膜以及外壳。

正极---采用能吸藏锂离子的碳极，放电时，锂变成锂离子，脱离电池阳极，到达锂离子电池阴极。

负极----材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物。

电解质---采用LiPF6的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂和低粘度二乙基碳酸脂等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。

隔膜---采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。

外壳---采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。

3.锂离子电池工作原理

锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。此时正极发生的化学反应为：

charge

正极反应 LiCoO2

Li1-x CoO2 +xLi++xe-

discharge

同样道理，当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。此时负极发生的化学反应为：

锂离子电池原理及工艺流程

一、 原理

1.0 正极构造

LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔） 正极

2.0 负极构造

石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔） 负极

3.0工作原理

3.1 充电过程

如上图一个电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为

LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)

负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe=====LixC6

3.2 电池放电过程

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

二、 工艺流程

三、 电池不良项目及成因：

1.容量低

产生原因：

a. 附料量偏少； b. 极片两面附料量相差较大； c. 极片断裂；

d. 电解液少； e. 电解液电导率低； f. 正极与负极配片未配好；

g. 隔膜孔隙率小； h. 胶粘剂老化→附料脱落； i.卷芯超厚（未烘干或电解液未渗透）

j. 分容时未充满电； k. 正负极材料比容量小。

2.内阻高

产生原因：

a. 负极片与极耳虚焊； b. 正极片与极耳虚焊； c. 正极耳与盖帽虚焊；

d. 负极耳与壳虚焊; e. 铆钉与压板接触内阻大； f. 正极未加导电剂；

g. 电解液没有锂盐； h. 电池曾经发生短路； i. 隔膜纸孔隙率小。