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锂离子电池识知科普
日期：2025-03-10 07:09
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摘要：
锂离子电池识知科普
锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。
锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。
锂离子电池由日本索尼公司于199...
锂离子电池识知科普
锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。
锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。
锂离子电池由日本索尼公司于1990年*先开发成功。它是把锂离子嵌入碳（石油焦炭和石墨）中形成负极（传统锂电池用锂或锂合金作负极）。正极材料常用LixCoO2 ,也用 LixNiO2 ，和LixMnO4 ，电解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯（EC）+二甲基碳酸酯（DMC）。
石油焦炭和石墨作负极材料无毒，且资源充足，锂离子嵌入碳中，克服了锂的高活性，解决了传统锂电池存在的**问题，正极LixCoO2在充、放电性能和寿命上均能达到较高水平，使成本降低，总之锂离子电池的综合性能提高了。预计21世纪锂离子电池将会占有很大的市场。
钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列：
（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。
（2）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。
（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。
（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。
（5）电池外壳——分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。
锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，好的电池，每月在2%以下（可恢复）。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。
作用机理
锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。
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。
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。
使用（放电）注意事项
对电池来说，正常使用就是放电的过程。锂电池放电需要注意几点：
**，放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成长久性的损害。在手机上，这个倒是没有问题的，可以不考虑。
从右图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。
**，**不能过放电！锂电池内部存储电能是靠电化学一种可逆的化学变化实现的，过度的放电会导致这种化学变化有不可逆的反应发生，因此锂电池*怕过放电，一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废。好在手机电池内部都已经装了保护电路，电压还没低到损坏电池的程度，保护电路就会起作用，停止放电。
概述
和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。
正极
正极材料：如上文所述，可选的正极材料很多，主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：
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正极材料
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平均输出电压
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能量密度
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LiCoO2
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3.7 V
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140 mAh/g
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Li2MnO3
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3.7 V
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100 mAh/g
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LiFePO4
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3.2 V
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130 mAh/g
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Li2FePO?F
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3.6 V
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115 mAh/g
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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
大体分为以下几种：
**种是锡基负极材料：锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。没有商业化产品。
第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料，没有商业化产品。
第四种是合金类负极材料：包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金 ，没有商业化产品。
第五种是纳米级负极材料：纳米碳管、纳米合金材料。
第六种纳米材料是纳米氧化物材料：目前根据2009年锂电池新能源行业的市场发展*新动向，诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。
电解质溶液
溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜(solid electrolyte interphase，SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等**性问题。
导电涂层
电池涂碳铝箔(导电涂层）
涂碳铝箔在锂离子电池应用中的优势
1、抑制电池极化，减少热效应，提高倍率性能；
2、降低电池内阻，并明显降低了循环过程的动态内阻增幅；
3、提高一致性，增加电池的循环寿命；
4、提高活性物质与集流体的粘附力，降低极片制造成本；
5、保护集流体不被电解液腐蚀；
6、改善磷酸铁锂、钛酸锂材料的加工性能。
导电涂层
利用功能涂层对电池导电基材进行表面处理是一项突破性的技术**，覆碳铝箔/铜箔就是将分散好的纳米导电石墨和碳包覆粒，均匀、细腻地涂覆在铝箔/铜箔上。它能提供**的静态导电性能，收集活性物质的微电流，从而可以大幅度降低正/负极材料和集流之间的接触电阻，并能提高两者之间的附着能力，可减少粘结剂的使用量，进而使电池的整体性能产生显著的提升。 涂层分水性（水剂体系）和油性（有机溶剂体系）两种类型。
性能差异
涂碳铝箔/铜箔的性能优势
1.显著提高电池组使用一致性，大幅降低电池组成本。如：
明显降低电芯动态内阻增幅 ；
提高电池组的压差一致性 ；
延长电池组寿命 ；
大幅降低电池组成本。
提高电池组的压差一致性 ；
延长电池组寿命 ；
大幅降低电池组成本。
2.提高活性材料和集流体的粘接附着力，降低极片制造成本。如：
改善使用水性体系的正极材料和集电极的附着力；
改善纳米级或亚微米级的正极材料和集电极的附着力；
改善钛酸锂或其他高容量负极材料和集电极的附着力；
提高极片制成合格率,降低极片制造成本。
改善纳米级或亚微米级的正极材料和集电极的附着力；
改善钛酸锂或其他高容量负极材料和集电极的附着力；
提高极片制成合格率,降低极片制造成本。
涂碳铝箔与光箔的电池极片粘附力测试图
使用涂碳铝箔后极片粘附力由原来10gf提高到60gf（用3M胶带或百格刀法），粘附力显著提高。
3.减小极化，提高倍率和克容量，提升电池性能。如：
部分降低活性材料中粘接剂的比例，提高克容量；
改善活性物质和集流体之间的电接触；
减少极化，提高功率性能。
改善活性物质和集流体之间的电接触；
减少极化，提高功率性能。
不同铝箔的电池倍率性能图
其中C-AL为涂碳铝箔，E-AL为蚀刻铝箔，U-AL为光铝箔
4.保护集流体，延长电池使用寿命。如：
防止集流极腐蚀、氧化；
提高集流极表面张力，增强集流极的易涂覆性能；
可替代成本较高的蚀刻箔或用更薄的箔材替代原有的标准箔材。
提高集流极表面张力，增强集流极的易涂覆性能；
可替代成本较高的蚀刻箔或用更薄的箔材替代原有的标准箔材。
不同铝箔的电池循环曲线图（200周）
其中（1）为光铝箔，（2）为蚀刻铝箔，（3）为涂碳铝箔
锂电池的正极材料有钴酸锂LiCoO2 、三元材料Ni+Mn+Co、锰酸锂Li2MnO4加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，至今比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。
1、制浆：用专门的溶剂和粘结剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。
2、涂膜：通过自动涂布机将正负极浆料分别均匀地涂覆在金属箔表面，经自动烘干后自动剪切制成正负极极片。
3、装配：按正极片—隔膜—负极片—隔膜自上而下的顺序经卷绕注入电解液、封口、正负极耳焊接等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。
4、化成：将成品电池放置测试柜进行充放电测试，筛选出合格的成品电池，待出厂。
注意事项
避免在严酷条件下使用，如：高温、高湿度、夏日阳光下长时间暴晒等，避免将电池投入火中。
拆电池时，应确保用电器具处于电源关闭状态；使用温度应保持在－20~50℃之间。
避免将电池长时间“存放”在停止使用的用电器具中。
