鋰離子電池的作用原理？鋰離子電池是如何產(chǎn)生電的？

鋰離子電池 （Lithium-ion battery）是一種可重復(fù)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(lái)工作。鋰離子電池使用一個(gè)嵌入的鋰化合物作為一個(gè)電極材料。目前用作鋰離子電池的正極材料主要常見(jiàn)的有： 鋰鈷氧化物（LiCoO 2 ）、錳酸鋰（LiMn2O 4 ）、鎳酸鋰（LiNiO 2 ）及磷酸鐵鋰（LiFePO 4 ） 。

此外，鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆：

一、 鋰電池（Lithium battery） ：雖然常常用作為鋰離子電池的簡(jiǎn)稱，但嚴(yán)格意義的鋰電池是鋰原電池，內(nèi)含純態(tài)的鋰金屬，為一次性使用、不可充電。

二、 鋰離子聚合物電池（Lithium-ion polymer batteries，也常稱為“鋰聚合物電池”） ：大致上其實(shí)也是鋰離子電池，是普通鋰離子電池的改良，利用膠態(tài)或固態(tài)聚合物取代液態(tài)有機(jī)溶劑的可充電鋰離子電池，其安全性較好不會(huì)爆炸，且可以塑造各種不同形狀的電芯，成為了現(xiàn)在的主流形式電池。

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鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)

1、電壓高：?jiǎn)误w電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V、，是Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍。

2、比能量大：能達(dá)到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH、，已接近于其理論值的約88%。

3、循環(huán)壽命長(zhǎng)：一般均可達(dá)到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達(dá)到8000次。對(duì)于小電流放電的電器,電池的使用期限，將倍增電器的競(jìng)爭(zhēng)力。

4、安全性能好：無(wú)公害，無(wú)記憶效應(yīng)。作為L(zhǎng)i-ion前身的鋰電池，因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路，縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素；部分工藝（如燒結(jié)式、的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問(wèn)題。

5、自放電?。菏覝叵鲁錆M電的Li-ion儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。

6、快速充電：1C充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上，磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到標(biāo)稱容量的90%。

7、工作溫度：工作溫度為-2545°C，隨著電解液和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-4070°C。

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鋰離子電池的缺點(diǎn)

1、衰老：與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會(huì)緩慢衰退，與使用次數(shù)有關(guān)，也與溫度有關(guān)。這種衰退的現(xiàn)象可以用容量減小表示，也可以用內(nèi)阻升高表示。因?yàn)榕c溫度有關(guān)，所以在工作電流高的電子產(chǎn)品更容易體現(xiàn)。用鈦酸鋰取代石墨似乎可以延長(zhǎng)壽命。

2、回收率：大約有1%的出廠新品因種種原因需要回收。

3、不耐受過(guò)充：過(guò)充電時(shí)，過(guò)量嵌入的鋰離子會(huì)永久固定于晶格中，無(wú)法再釋放，可導(dǎo)致電池壽命短。

4、不耐受過(guò)放：過(guò)放電時(shí)，電極脫嵌過(guò)多鋰離子，可導(dǎo)致晶格坍塌，從而縮短壽命。

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鋰離子電池的種類

根據(jù)正極所用的金屬材料的不同，鋰離子電池分為幾個(gè)種類。最初鋰離子電池的正極所用的金屬材料是鈷。不過(guò)鈷的產(chǎn)量幾乎與鋰同樣少，也是稀有金屬，制造成本高。因此開(kāi)始使用廉價(jià)且環(huán)境負(fù)荷小的材料，例如錳、鎳、鐵等金屬。鋰離子電池按其所使用的材料而分類，下面來(lái)看看各種類分別都有哪些特點(diǎn)

鈷系鋰離子電池:

正極使用鈷酸鋰。鈷酸鋰比較容易合成，便于使用，因而鋰離子電池最早量產(chǎn)的是鈷酸鋰離子電池。但由于鈷是稀有金屬，價(jià)格昂貴，幾乎沒(méi)有被用于汽車零件。

錳系鋰離子電池:

正極使用錳酸鋰。優(yōu)點(diǎn)是電壓能與鈷系鋰離子電池差不多，而且制造成本廉價(jià)。缺點(diǎn)是充放電中錳可能會(huì)熔化于電解質(zhì)，縮短電池的壽命。

磷酸鐵系鋰離子電池

正極使用磷酸鐵鋰。磷酸鐵系鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)在于即使內(nèi)部發(fā)熱結(jié)構(gòu)也難以損壞，安全性高，而且以鐵為原料，制造成本比錳系更低。但是電壓比其他的鋰離子電池低。

三元系鋰離子電池

三元系鋰離子電池是為了減少鈷的用量，使用鈷、鎳、錳三種材料制造的電池?，F(xiàn)在三元系鋰離子電池大多鎳的比例較高。雖然電壓比鈷系、錳系略低，但能減少制造成本。不過(guò)雖說(shuō)如此，各個(gè)材料的合成制備較難，穩(wěn)定性低等。

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鋰離子電池的電化學(xué)

和所有化學(xué)電池一樣，鋰離子電池也由三個(gè)部分組成：正極、負(fù)極和電解質(zhì)。習(xí)慣上，鋰離子進(jìn)入正極材料的過(guò)程叫“嵌入”，離開(kāi)的過(guò)程叫“脫嵌”；鋰離子進(jìn)入負(fù)極材料的過(guò)程叫“插入”，離開(kāi)的過(guò)程叫“脫插”。

正極半反應(yīng)是：

負(fù)極半反應(yīng)是：

總體反應(yīng)有局限性。過(guò)放電supersaturates鋰鈷氧化物，導(dǎo)致產(chǎn)生的氧化鋰，可能是由以下的不可逆反應(yīng)

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鋰離子電池的產(chǎn)生電的工作原理

電池里有使用金屬材料的正電極（正極）和負(fù)電極（負(fù)極），借由離子而導(dǎo)電的物質(zhì)（電解質(zhì)）充滿在正負(fù)極之間。金屬電極被電解質(zhì)熔化，分為離子和電子，電子從負(fù)極向正極移動(dòng)產(chǎn)生電流，這時(shí)便產(chǎn)生電。二次電池是在開(kāi)始使用電池之前通過(guò)充電，預(yù)先將電子儲(chǔ)蓄在負(fù)極，使用電池時(shí)儲(chǔ)蓄的電子向正極移動(dòng)從而產(chǎn)生電。

鋰離子電池是預(yù)先在正極使用含鋰金屬化合物，負(fù)極使用能吸儲(chǔ)鋰的碳(石墨)。通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)，無(wú)須如傳統(tǒng)電池一般由電解質(zhì)熔化電極就能發(fā)電，從而減緩了電池本身的老化，不僅能儲(chǔ)蓄更多的電，充放電的次數(shù)也得以增加。此外，鋰是非常小而輕的物質(zhì)，從而能使電池具有小型輕量化等各種優(yōu)點(diǎn)。

鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物（鋰離子/鋰聚合物電池）、或凝膠體與聚合物的混合物。因?yàn)槟壳吧形窗l(fā)現(xiàn)能夠在室溫條件下有效運(yùn)送鋰離子的聚合物，所以大多數(shù)的“塑膠封袋”鋰離子/ 鋰聚合物電池事實(shí)上都是結(jié)合凝膠體和聚合物的混合型電池。

正極或負(fù)極必須具有類似海綿的物理結(jié)構(gòu)，以釋放或接收鋰離子。在放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極材料移出至電解液，再像水進(jìn)入海綿一樣地進(jìn)入正極材料，這個(gè)過(guò)程被稱為嵌入(Intercalation)。充電的過(guò)程則完全相反。

正極

正極材料：可選的正極材料很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對(duì)照：

正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。

充電時(shí)：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe?

放電時(shí)：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe? → LiFePO4

負(fù)極

負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。

負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫插，充電時(shí)鋰離子插入。

充電時(shí)：xLi+ + xe? + 6C → LixC6

放電時(shí)：LixC6 → xLi+ + xe? + 6C

電解質(zhì)溶液

溶質(zhì)：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰（LiClO4）、六氟磷酸鋰（LiPF6）、四氟硼酸鋰（LiBF4）。

溶劑：由于電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑，如乙醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯等。有機(jī)溶劑常常在充電時(shí)破壞石墨的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜（solid electrolyte interphase，SEI）導(dǎo)致電極鈍化。有機(jī)溶劑還帶來(lái)易燃、易爆等安全性問(wèn)題。