鋰離子電池的工作原理和結(jié)構(gòu)

鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池。而真正的鋰電池由于危險(xiǎn)性大，很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。

鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

當(dāng)對電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。

一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會(huì)產(chǎn)生泡沫，反而不滿。

對電池來說，正常使用就是放電的過程。

鋰電池放電需要注意幾點(diǎn)：

第一，放電電流不能過大，過大的電流導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，有可能會(huì)造成永久性的損害。在手機(jī)上，這個(gè)倒是沒有問題的，可以不考慮。

第二，絕對不能過放電！鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導(dǎo)致電池報(bào)廢。好在手機(jī)電池內(nèi)部都已經(jīng)裝了保護(hù)電路，電壓還沒低到損壞電池的程度，保護(hù)電路就會(huì)起作用，停止放電。從圖上可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)

正極：活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑、溶劑、粘合劑、基體。

電池放電時(shí)從外電路獲得電子的電極,此時(shí)電極發(fā)生還原反應(yīng)。通常是電位高的電極。鋰離子電池中的鈷酸鋰、錳酸鋰電極等。

負(fù)極：活性物質(zhì)（石墨、MCMB、CMS)，粘合劑、溶劑、基體。

電池放電時(shí)向外電路輸送電子的電極，此時(shí)電極發(fā)生氧化反應(yīng)。通常是電位低的電極，鋰離子電池中石墨電極。

隔膜

隔膜是放置于兩極之間，作為隔離電極的裝置，藉以避免兩極上的活性物質(zhì)直接接觸而造成電池內(nèi)部的短路。但隔膜仍需能讓帶電離子通過，以形成通路。

隔膜要求：

1、離子透過度大

2、機(jī)械性強(qiáng)度適當(dāng)

3、本身為絕緣體

4、不與電解液及電極發(fā)生反應(yīng)

材質(zhì)：單層PE（聚乙烯）或者三層復(fù)合PP（聚丙烯） +PE+PP

厚度：單層一般為0.016～0.020mm，三層一般為0.020～0.025mm

電解液

外殼五金件（鋼殼、鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片、絕緣膠帶）

鋰離子電池電芯原材料

正極材料

正極材料在鋰電池中市場容量最大、附加值較高，大約占鋰電池成本30%，毛利率低則15%，高則70%以上。

目前已批量應(yīng)用于鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰以及磷酸鐵鋰。

鎳酸鋰電池安全性最差（過充易起火），高溫耐受度最低（高溫分解），合成難度最高。

鈷酸鋰最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)很成熟，并已廣泛應(yīng)用在小型低功率的便攜式電子產(chǎn)品上，如手機(jī)、筆記本電腦和數(shù)碼電子產(chǎn)品等。

磷酸鐵鋰作為鋰離子電池用正極材料具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺(tái)十分平穩(wěn)，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時(shí)，該材料無毒、無污染、安全性能好、可在高溫環(huán)境下使用、原材料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是目前電池界競相開發(fā)研究的熱點(diǎn)。

負(fù)極材料

負(fù)極材料占鋰電成本比例較低，主要有碳負(fù)極材料和非碳負(fù)極材料。

碳負(fù)極材料：被目前商品鋰離子電池廣泛采用。

優(yōu)點(diǎn)：安全、循環(huán)壽命較長，價(jià)格低廉、無毒。

缺點(diǎn)：質(zhì)量比能量比較低。

非碳負(fù)極材料：按組成分為鋰過渡金屬氮化物、過渡金屬氧化物和納米合金材料。

優(yōu)點(diǎn)：有很高的體積能量密度。

缺點(diǎn)：循環(huán)穩(wěn)定性差，不可逆容量較大，制備成本較高，尚未產(chǎn)業(yè)化。

負(fù)極材料未來以提高容量和循環(huán)穩(wěn)定性為目標(biāo)，將碳材料與各種高容量非碳負(fù)極材料復(fù)合以開發(fā)高容量、非碳復(fù)合負(fù)極材料。

隔膜材料

市場化的隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）為主的聚烯烴（Polyolefin）類隔膜，其中PE 產(chǎn)品主要由濕法工藝制得，PP 產(chǎn)品主要由干法工藝制得。

PE產(chǎn)品與PP產(chǎn)品的特征比較：

1、PP 相對更耐高溫，PE 相對耐低溫；

2、PP 密度比PE ?。?/p>

3、PP 熔點(diǎn)和閉孔溫度比PE高；

4、PP 制品比PE 脆；

5、PE 對環(huán)境應(yīng)力更敏感。

主要的隔膜材料產(chǎn)品有單層PP、單層PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、雙層PP/PE、雙層PP/PP 和三層PP/PE/PP 等，其中前兩類產(chǎn)品主要用于3C 小電池領(lǐng)域，后幾類產(chǎn)品主要用于動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域。

在動(dòng)力鋰電池用隔膜材料產(chǎn)品中，雙層PP/PP 隔膜材料主要由中國企業(yè)生產(chǎn)，在中國大陸使用，這主要是因?yàn)槟壳半A段還沒有中國企業(yè)能將PP 與PE 制成雙層復(fù)合膜的技術(shù)和能力。而全球汽車動(dòng)力鋰電池使用的隔膜以三層PP/PE/PP、雙層PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料產(chǎn)品為主。與此同時(shí)，其他一些新型隔膜材料產(chǎn)品也在不斷涌現(xiàn)并開始實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，不過，因量少價(jià)高，主要還是用在動(dòng)力鋰電池制造領(lǐng)域。這些產(chǎn)品主要有：涂層處理的聚酯膜（PET，Polyethylene Terephthalate）、纖維素膜、聚酰亞胺膜（PI）、聚酰胺膜（PA），氨綸或芳綸膜等等。這些隔膜的優(yōu)點(diǎn)是耐高溫，且具有低溫輸出、充電循環(huán)壽命長、機(jī)械強(qiáng)度適中的特點(diǎn)。總的來看，鋰電池隔膜材料產(chǎn)品呈現(xiàn)出明顯的多樣化發(fā)展趨勢。

電解液

鋰離子電池電解液材料重點(diǎn)在于高安全性、高環(huán)境適應(yīng)性，主要發(fā)展將集中在：新型溶劑（工作溫度范圍拓寬）、離子液體、新型鋰鹽（提高環(huán)境適應(yīng)性）、添加劑（阻燃、氧化還原穿梭、保護(hù)正負(fù)極成膜等）等方面，與新型正、負(fù)極材料相匹配，提高安全性、功率和容量，最終安全方便地應(yīng)用于電動(dòng)車、儲(chǔ)能、航天以及更廣泛的領(lǐng)域。

鋰離子電池的制造工藝流程

鋰離子電池生產(chǎn)用的主要設(shè)備

真空行星攪拌機(jī)

用途：將各種電池材料均勻的攪拌成漿狀。

電極涂布機(jī)

用途：攪拌后的漿料均勻涂膜在金屬箔片 上。對漿料的涂布厚度精確到3微米以下。

輥壓機(jī)

用途：涂布后的極片進(jìn)一步壓實(shí)，提高電池的能量密度。

極片分切設(shè)備

超聲焊接導(dǎo)電柄設(shè)備

卷繞機(jī)

用途：將制造好的極片卷繞成電池

手套箱

用途：保證在低濕度環(huán)境下將電解液與卷芯封裝在一起

注液機(jī)

用途：保證高精度的流水化將電解液真空注入電池包裝材料內(nèi)

化成測試設(shè)備

用途：將做好的電池充電活化，產(chǎn)生電壓，同時(shí)測試電池的容量。

審核編輯：湯梓紅