锂电池工作原理简介

　　一次电池指不可以充电的电池，二次电池指可以反复充、放电的电池，本文主要介绍二次电池，一般情况下省去了“二次”两字。
　　
　　锂电池主要由正极、负极、龟解液、隔膜和外壳五大部分组成。行业术语叫“电心”，类似铅酸电池的单格。
　　
　  聚合物锂离子电池原理如下。
　　
　　充电过程，锂离子从正极板内脱嵌出来．进入电解液穿过隔膜， 后镶嵌进负极板内；放电过程．锂离子从负极板内脱嵌出来，进入电解液穿过隔膜， 后镶嵌进正极板内。业内形象的称之为“摇椅”电池，充电锂离子摇到了负极．放电又摇回了正极。这张图片来源于网络，阳极主成份是钻酸锂，阴极主成份是碳，电解质为聚合物。
　　
　　1．正极板的主要成分不同．形成了前面提到的钻酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂和三元锂四大类，例如钻酸锂电心的正极是LICoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板。铝箔是集流体，等同于铅酸电池的阳极板栅和汇流排．铝箔与铝箔间用超声波焊接。
　　
　　由阳极主材料分类，锂电池有四种：钻酸锂、磷酸铁锂（有时简称铁锂）、锰酸锂和三元锂四种。目前，关于阳极主材料的研究仍在继续，品种还在增加。
　　
　　2．负极板，锂离子电池一般用碳材料（主要是石墨）作负极，是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上：这里，铜箔是集流体，等同于铅酸电池的阴极板栅和汇流排，铜箔与铜箔间用点焊机焊接。
　　
　　3．电解液是含锂离子的．成分比较复杂，多用代号表示，第一代电解液：
　　
　　PC+DME+IMLiPF6，与石墨负极匹配性差，易发生溶剂共嵌入。第二代电解液：
　　
　　EC+DMC(orDEC)+lMLlPF6，低温性能差。第三代电解液：EC+DMC(DEC)+EMC+lMLiPF6．电导率可达10-2S．cm-1．>50%。目前工作大多集中在选择添加剂方面，以提高电池首次充放电效率，提高SEI(该代号后文化成中有解释)稳定性。
　　
　　(1)溶剂部分非质子性有机溶剂。为获得尽可能高的电导，常采用二元或多元组分溶剂。
　　
　　a、碳酸丙烯酯代号PC(Propy-leneCarbonate)
　　
　　b、碳酸乙烯酯代号EC（EthyleneCarbonate）
　　
　　c、碳酸二甲酯代号DEC(Dimethyl-Carbonate)
　　
　　d、PropiolicAcid甲酯
　　
　　e、1，4-丁丙酯代号CBL(γ-Butyro-lactone)
　　
　　(2)溶质部分
　　
　　a、LiPF6（主要）
　　
　　b、LiBF4
　　
　　c、LiCI04
　　
　　d、LiAsF6
　　
　　
　　e、LiCF3SO3等
　　
　　这些电解液很多有毒．并且是易燃易爆物。不同电心的电解液配方也不同。
　　
　　(3)电解液近年来，对液态电解质进行的改体研究取得了很大的进步．大大降低了锂电的危险性．主要有聚合物和胶体两大类．不仅仅改变了电解质的流动性，温度性能、安全性能、循环性能等都得到了改善。
　　
　　重申一下！聚合物锂离子电池的定义是，正极、负极与电解质这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为其主要的电池系统。本文为了突出安全性能改进，只提到了电解质一项。
　　
　　如果用电解液状态分类．锂电有两类：聚合物电池和液态电解质电池。
　　
　　和铅酸电池类似．锂电也有化成工序。在液态锂离子电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固、液相界面上发生反应．形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。这种钝化层是一种界面层．具有固体电解质的特征，是电子绝缘体．但又是锂离子Li+的优良导体．Li+可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出，因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”(solideleCTRolyteinterface)，简称SEI膜。
　　
　　正极确实也有层膜形成．只是现阶段认为其对电池的影响要远远小于负极表面的SEI膜，因此本文着重讨论负极表面的SEI膜（以下所出现SEI膜未加说明则均指在负极形成的）。负极材料石墨与电解液界面上通过界面反应能生成SEI膜．多种分析方法也证明SEl膜确实存在．厚度约为100~120nm．其组成主要有各种无机成分如Li2C03、LiF、Li2O、LiOH等和各种有机成分，如ROC02Li、ROLi、(ROC02Li)2等。
　　
　　SEI膜的形成对电极材料的性能产生至关重要的影响。一方面，SEI膜的形成消耗了部分锂离子，使得首次充放电不可逆容量增加，降低了电极材料的充放电效率：另一方面，SEl膜具有有机溶剂不溶性，在有机电解质溶液中能稳定存在，并且溶剂分子不能通过该层钝化膜，从而能有效防止溶剂分子的共嵌入，避免了因溶剂分子共嵌入对电极材料造成的破坏．因而大大提高了电极的循环性能和使用寿命。
　　
　　因此．深入研究SEI膜的形成机理、组成结构、稳定性及其影响因素，并进一步寻找改善SEI膜性能的有效途径，一直都是世界电化学界研究的热点。
　　
　　烷基碳酸锂和Li2C03均为3.5V前形成SEI膜的主要成分。
　　
　　当电池电解液采用ImoI/LLiPF6-EC~DMC~EMC(三者体积比1：1：1)化成电压小于2.5V下，产生的气体主要为H2和CO2：等；化成电压为2.5V时，电解液中的EC开始分解，电压3.0~3.5V的范围内庙于EC的还原分解，产生的气体主要为C2H4而当电压大于3.OV时，由于电解液中DMC和EMC的分解，除了产生C2H4气外，CH4、CZH6等烷烃类气体也开始出现：电压高于3.8V后，DMC和EMC的还原分解成为主反应。此外，当化成电压为3.0~3.5V之间，化成过程中产生的气体量 大；电压大于3.5V后，由于电池负极表面的SEI层已基本形成，因此，电解液溶剂的还原分解反应受抑制，产生的气体的数量也随之汛速下降。
　　
　　简而言之，锂电池化成时，充电电流开始是0.2C（C为充电倍率）涓流，电压达到一定值转为1C恒流，继续充到另一个电压值转为限压充电。这两个定值不是任意的，由上述内容确定。有些厂家把涓流阶段称之为“预化成”阶段，接着进行抽气后，再用1C电流化成。
　　
　　让读者了解这些内容的目的．是纠正锂电使用的误区。化成，锂电业内还有个称谓，称之为“激活”，到用户手里的电池都是激活过的电池。
　　
　　注：电心化成工序中，在IC恒流转恒压（限压）后，充电电流低到0.02C停止化成，业内称这个0.02C电流为“截止电流”。不同厂家的“截止电流”设定值不同，有O.OIC、0.02C、0.05c、O.IC等，多数采用0.02C。
　　
　　(4)隔膜隔膜多孔、介于阴、阳极板之间，可以让电解液、锂离子通过。它的作用之一和铅酸电池的隔膜作用相同，即防止阴、阳极极板间短路。锂电池的隔膜另一重大作用是防止电池温升过高．导致燃烧和爆炸。当温度升高到一定温度(125℃)时，隔膜的孔陆续关闭，锂离子的通路被切断，促使电化学反应降低甚至中止，温升停止。
　　
　　锂离子电池隔膜一般采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)单层微孔膜、以及由PP和PE复合的多层微孔膜用为隔膜。
　　
　　从外观上看．它与普通的白色塑料膜没什么明显区别，但在锂电池的结构中，隔膜的性能直接影响着电池的容量、循环性能以及安全性能等特性。
　　
　　(5)外壳，有铁外壳、铝外壳和铝塑软包装三种。
　　
　　如果由包装分类，锂电有三类多种，其中硬壳的有圆柱和方形两种。
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