锂电池基本知识

摘要：随着新化学能源理论的不断成熟，锂电池在各个行业得到广泛应用，本文首先介绍了锂较其他金属的在电池方面的优势，阐明了锂离子电池的工作原理以及锂离子电池所存在的典型问题-枝晶效应，并概述了离子电池现研究存在的问题和未来走向。 关键字：锂离子电池；枝晶；安全性；

一、 引言

在全球能源与环境问题越来越严峻的情况下，电动车、汽车等交通工具纷纷改用储能电池为主要动力源，锂离子电池被认为是高容量、大功率电池的理想之选。锂离子电池的研究始于1990年，日本Nagoura等人研制成以石油焦为负极，以钴酸锂为正极的锂离子电池。由于锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小等优点，且安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近几年广为关注的研究热点。 二、锂离子电池基础知识

锂是锂离子电池的核心，它是最轻的金属元素，金属锂的比重只有水的一半，铝是较轻的金属，锂的比重只有铝的五分之一。锂的电负性是所有金属中最负的，锂离子的还原电位高达-3V。根据计算，1克锂转化为锂离子时所能得到的电荷数为3860mAh，加之它的大于3V的工作电压，锂作为电池的负极材料当之无愧轻量级的大力士。

早期负极为金属锂的“锂电池”，但金属锂的化学活性太大，充电时产生的枝晶会使电池短路，目前尚未真正解决其安全问题。经过长期的探索、研究，发现锂可与许多金属形成合金，其活性要小许多，更奇妙的是锂可以在许多层状结构的物质中可逆地嵌入和脱出。锂以这些材料为载体就安全多了。 2.1锂离子电池简介

?正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2、LiFePO4或LiXMnO2 ?负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。

?电解质为溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等有机溶液。

充电池时，此时正极上的电子从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处

于富锂状态。

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

离子电池又称为“摇椅电池”，是指以可供锂离子嵌入脱嵌的物质作为正、负极的二次电池。电解质一般采用溶解有锂盐的有机溶液电解质，根据所用电解质的状态，可分为液态锂离子电池、聚合物锂离子电池和全固态锂离子电池。 2.2锂离子电池的工作原理

一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。以典型的液态锂离子为例，当以石墨为负极材料，以LiCoO2为正极材料时，其充放电原理为：

?正极反应：LiCoO2== Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- ?负极反应：6C + xLi+ + xe- == LixC6

?电池总反应：LiCoO2 + 6C ==Li1-xCoO2 + LixC6 ?放电时发生上述反应的逆反应。

充电时，Li+从LiCoO2中发生脱嵌，释放一个电子，C3+被氧化为C4+，与此同时，Li+经过隔膜和电解液迁移到负极石墨表面，进而插入到石墨结构中，石墨结构同时得到一个电子，形成锂—碳层间化合物LixC6，放电时过程则相反，Li+从石墨结构脱插，嵌入到正极LiCoO2中。 2.3锂电池的负极枝晶效应 (Lithium Dendrides)

在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在那儿形成LiC化合物。如果充电速度过快，会使得Li+来不及进入负极栅格，在负极附近的电解液中就会聚集Li+，这些靠近碳C负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为

金属Li。持续的金属锂生成会在负极附近堆积、长大成树枝状的晶体，俗称枝晶。另一种情形，随着负极的充满程度越高，LiC晶格留下的空格越少，从正极移动过来的Li+找到空格的机会就困难，时间就越长。如果充电速度不变的话，一样可能在负极表面形成局部的Li+堆积。因此，在充电的后半段必须逐步缩小充电电流。

枝晶的长大会刺破正负级之间的隔膜，形成短路。可以想象，充电的速度越快越危险，充电终止的电压越高也就越危险，充电的时间越长也越危险。锂离子电池的电压过高或者过低都会造成严重问题 三、锂离子电池的研究现状

锂离子电池自问世以来由于其优异的的电性能而得到了广泛的应用。但它的发展远没有停止，主要是锂离子电池存在如下缺点：

(1)安全性需进一步提高。由于锂离子电池的电解质使用易燃的有机溶剂和具有腐蚀性的电解质盐，过充电时电解液易在高氧化态的正极材料表面发生反应产生可燃性气体，内压升高，电池发生胀气、漏液等现象，造成用电器的腐蚀和损坏;放电时负极表面易形成锂枝晶刺穿隔膜引起电池内部短路，使电池内部温度急剧升高而发生爆炸。

(2)电池成本高。主要包括：广泛采用的LiCoO2正极材料价格高；电解质体系的提纯困难，发展新一代的电解质已经是业内人士共同呼吁的。

(3)大电流充放电不适合现有电动工具使用。由于采用有机电解质体系，电池内阻大，一般放电电流为0.5mA cm-2，最大为2~4mA cm-2只适用于中小电流的用电器使用。目前全世界的科技和工业界都在努力发展锂离子电池及相关技术，不断开发新产品，扩大市场范围；不断研究新型锂离子电池材料，提高电池性能及降低电池成本。

(4)现有的锂离子电池的比能量过低，无法达到纯电动车的应用要求。目前行业实际商业化应用的锂离子电池的比能量只有100Wh/kg左右，如此低的比能量，导致为了达到电动车的行程要求，电池的重量达到1吨，如2011年在杭州试点的纯电动车，其使用的电池是众泰控股和海马汽车公司生产的磷酸铁锂电池，每部车配备的电池重量达到1吨，这就造成了行程中有一半的能量实际上是背着电池在运行。

四、锂电池的未来走向

虽然锂离子电池在商业上取得了极大成功，然而其发展并非是一帆风顺的，对锂离子电池及其研究者而言，机遇与挑战并存。根据2011年的新型铅酸电池的研发以及我国铅酸电池行业内的整合，日本研究工作者将钠硫电池在储能上的应用，以及近年来研究所、学校关注的锂硫电池和锂空气电池的发展，都将对当前锂离子市场造成冲击。特别是有研究报告称，近期美国的研究人员的一项重大技术突破将有可能是锂空气电池有潜力实现电池技术的一大飞跃，因为与标准电池相比它减轻了重量，降低了复杂度。标准电池的所有组件存储于内部，而锂空气电池使用空气中的氧气。然而这项技术面临的最大问题是活跃的氧气会与其它电池组件发生反应。研究人员发现了一种不会与氧气发生反应的电解质材料，使电池在多次充放电后性能保持稳定。根据研究人员的估计，在理论上电池储存电量能达到市场上现有锂离子电池的10倍。

对锂离子电池的研究者来说，当务之急应通过工艺创新，进一步降低原材料成本，提高电池循环性能及稳定性。从技术发展方向看，以下三方面应给予极大关注：

(1)发展电动汽车用大容量锂离子动力电池；

(2)开发和使用新的高性能电极材料，尤其是高性能正极材料的开发； (3)进一步降低锂离子电池的成本和提高电池的安全性能对锂离子电池的商业化应用来说，则需要通过行业内的运行管理模式调整，来达到生产高标准的电池的要求，其实这也是占全球40%正极材料销量的中国最需要关注的和发展的，这就如同中国为何是制造大国而不是制造强国，这种现象在中国的锂离子电池市场也同样存在，并且相当严重。 五、参考文献

[1]黄可龙,王兆祥,刘素琴.锂离子电池原理与关键技术[M].北京：化学工业出版社2008,2.

[2］武汉大学等校编. 《无机化学》上册（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社. 1983.4(第二版).

[3］王先友，张允什.锂离子电池炭负极研究新动向[J].电源技术，1999,23（4）：233-237.