锂离子电池的工作原理、特点及分类

锂离子电池的工作原理、特点及分类

锂离子电池的构成主要有正极、负极、非水电解质和隔膜四个部分组成，两个能可逆脱嵌的锂离子化合物构成正负极。其工作原理图如1-1（b）所示，充电时锂离子从正极材料中脱出，通过隔膜经电解质溶液向负极迁移，同时电子在外电路从正极流向负极，锂离子在负极得到电子后被还原成金属锂，嵌入负极晶格中；而在放电时，负极的锂会失去电子成为锂离子，通过隔膜经电解质溶液向正极方向迁移并进入正极材料中储存。正负两极间不仅有锂离子在迁移，为保持电荷平衡，相同数量的电子经外电路也在正负两极之间传递，使正负两极发生氧化还原反应，并保持一定电位。

图1-1锂离子电池工作示意图

a. 金属锂二次电池；

b. 锂离子二次电池

（图中枝晶照片直接由原位扫描电镜拍出）

Fig.1-1 Schematic representation and operating principles of Li batteries

a. Rechargeable Li-metal battery；

b. Rechargeable Li-ion battery

以目前已经商业化的锂离子电池为例，正极采用LiCoO2材料，负极采用碳材料，宇部隔膜为电池隔膜，LiPF6的碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）或碳酸二甲酯（DMC）溶液为电解液，充电过程中发生的正负两极的电极反应可表示为：

CoO2+xLi++xe-

正极反应：LiCoO2 = Li

(1-x)

负极反应：C+x Li++xe- = Li x C

电池总反应：LiCoO2+C = Li

CoO2+Li x C

(1-x)

锂离子二次电池主要有以下优点：

（1）能量密度高。锂离子二次电池储存同样能量时体积小、质量也轻，可以实现锂离子二次电池的小型化、轻量化，使其成为便携式电子产品的首选电池；

（2）电压高。是其它电池电压是其它电池的2～3倍。这也是锂离子二次电池能量密度高的最主要原因；

（3）自放电小。是镍氢、镍镉电池自放电的1/2～1/3；

（4）可大电流放电，且安全性好；

（5）无记忆效应。记忆效应就是电池用电未完成时再充电时充电量下降。镍氢电池特别是镍镉电池的记忆效应特别强，而锂离子电池无记忆效应；

（6）循环次数多。电池使用寿命就长；

（7）不含铅、镉等有害物质，对环境友好。

锂离子电池种类很多，（1）根据电池所用电解质的状态不同，可分为：液体锂离子电池、聚合物锂离子电池和全固态锂离子电池；（2）根据温度来分，可分为高温锂离子电池和常温锂离子电池；（3）按正极材料分类，一般可分为：氧化钴锂型、氧化镍锂型、氧化锰锂型与铁基锂型；（4）从外形分类，一般可分为：圆柱形、扣式和方形三种，聚合物锂离子电池除制成圆形和方形外，还可根据需要制成任意形状。方形的型号用6位数表示，前二位表示电池厚度，中间二位表示宽度，最后二位表示长度，如063448型，表示厚度8 mm、宽度34 mm、长度48 mm，用08×34×48表示；而圆柱形的型号用5位数表示，前二位数表示直径，后三位数表示高度，如18650型，表示直径18 mm、高度65 mm，用 18×65表示。