锂电池知识-什么是锂电池？

　　锂电池知识-什么是锂电池？锂电池已经与我们的生活息息相关，我们的衣食住行都与它有着千丝万缕的联系。然而，很多人并不了解锂电池。这不仅仅限于普通消费者就连各种电器的设计者对锂电池也了解甚少。下面将分享一系列有关锂电池知识的文章。通过这些文章，您将对锂电池有一个系统的了解。

　　这里所说的锂离子电池特指可以反复充电的二次锂离子电池，而不是使用后就扔掉的一次电池。锂离子电池分布在我们生活的各个角落。它们的应用包括手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表、移动电源（充电宝）、应急电源、剃须刀、电动自行车、电动汽车、电动公交车、旅游巴士、无人机等电动工具。作为电力的载体和来源可以肯定地说，如果没有锂离子电池，当今的物质世界将无法发挥作用（除非我们想回到几十年前）。那么，什么是锂离子电池？

　　本文不科普电池的基本原理和发展历史，有兴趣可以百度一下。这里有很多故事。物理化学的基础理论很大程度上被爱因斯坦之前的浪潮搞糊涂了。电池与这些有直接关系两个领域。几乎所有与电池相关的理论都是在二战之前研究的，此后并没有太多的创新。锂离子电池作为电池技术的一种，理论研究近年来并没有取得任何突破。多年来，大部分研究都集中在材料、配方、工艺等方面，即如何提高产业化程度，开发性能更好（储能更多、续航里程更长）的锂离子电池。

　　如何选择能量载体

　　首先，你可能会问，为什么选择锂作为能量载体？好吧，虽然我们不想复习化学，但我们必须去元素周期表中寻找这个问题的答案。幸运的是，每个人都记得元素周期表，对吗？我真的不记得了，所以让我们花点时间看看下面的表格。

　　如果想成为一个好的能量载体，就必须在尽可能小的尺寸和重量内储存和携带更多的能量。因此，需要满足以下基本条件：

　　1）原子相对质量小

　　2)高电子得失能力

　　3）电子转移率要高

　　基于这三个基本原理，元素周期表顶部的元素比底部的元素好，左边的元素比右边的元素好。在初步筛选中，我们只能从第一和第二个元素中找到材料元素周期表的循环：氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟和氖。除去稀有气体和氧化剂，只剩下氢、锂、铍、硼和碳。

　　氢是自然界最好的能源载体，因此氢燃料电池的研究一直在蓬勃发展，代表了电池领域一个非常有前途的方向。当然，如果核裂变技术能够在未来几十年内取得重大突破，并且可以小型化或小型化，即使小型化，那么便携式核燃料电池也将有广阔的发展空间。

　　下一步是锂。选择锂作为电池是基于我们在目前地球上所有元素中能找到的相对最优的解决方案（铍的储量太小，而且是稀有金属中最稀有的）。氢燃料电池和锂离子电池作为一条技术路线正在电动汽车领域如火如荼地进行，可能是因为这两个元素是我们目前能找到的更好的能源载体。当然，这其中有很多商业利益，甚至涉及政治博弈。这些不是本文要讨论的领域。

　　顺便说一句，自然界中已经存在并被人类广泛利用的能源，如石油、天然气、煤炭等，也主要由碳、氢、氧元素组成（第一周期和第二周期的循环）。表）。因此，无论是自然选择还是人为“设计”，最终都会走同样的路。

　　锂离子电池的工作原理

　　我们先从锂离子电池的工作机理说起，这里就不描述氧化还原反应了。化学基础不好的人，或者化学知识回老师的人，看到这些专门的东西会感到头晕，所以我们应该简单地描述一下。这里借用一张图，这样更容易让人理解锂离子电池的原理。

　　根据使用习惯，我们根据充放电时的电压差来区分正极（+）和负极（-）。正负极这里就不说了，费时费力。该图中，电池的正极材料为钴酸锂（LiCoO2），负极材料为石墨（C）。

　　充电时，在外部电场的影响下，正极材料LiCoO2分子中的锂元素脱离，成为带正电的锂离子（Li+）。在电场力的作用下，从正极向正极移动。与负极的碳原子发生化学反应生成LiC6，因此从正极跑出的锂离子非常“稳定”。“嵌入负极的石墨层状结构中。锂越多从正极跑出并转移到负极的离子越多，电池可以存储的能量就越多。

　　放电时则相反，内部电场发生偏移，锂离子（Li+）从负极脱离，顺着电场的方向跑回正极，再次变成钴酸锂分子（LiCoO2）从负极跑出并转移到正极的锂离子越多，电池释放的能量就越多。

　　在每次充放电循环中，锂离子（Li+）作为电能的载体，一遍又一遍地从正极到负极再回到正极，与正负极材料发生化学反应。过程中，锂离子（Li+）作为电能的载体从正极流向负极再回到正极，与正负极材料发生反应。这就是“锂离子电池”的基本原理由于电解液、隔离膜等是电子的绝缘体，所以在这个循环中，电子在正负极之间没有来回运动，只参与电极的化学反应。

　　锂离子电池的基本构成

　　为了实现上述功能，锂离子电池内部需要包含几种基本材料：正极活性材料、负极活性材料、隔离膜和电解液。我们简单讨论一下这些材料的用途。

　　了解正负极并不难，为了实现电荷运动，需要具有电位差的正负极材料。那么什么是活性物质呢？我们知道，电池实际上是将电能和化学能相互转化，从而实现能量的储存和释放。要实现这一过程，需要正负极材料“易”参与化学反应、活泼、易氧化和还原，从而实现能量转换，因此需要使用“活性物质”作为电池的正负极。

　　如上所述，锂是我们首选的电池材料，那么为什么不使用锂金属作为电极的活性物质呢？这不就是可以达到的最大能量密度吗？

　　我们再看一下上图，氧（O）、钴（Co）、锂（Li）三种元素构成了正极材料非常稳定的结构（图中比例和排列仅供参考），而且负极石墨的碳原子排列也具有非常稳定的层状结构。正负极材料不仅必须具有活性，而且还必须具有非常稳定的结构，才能实现有序、受控的化学反应。什么是不稳定的结果？想想汽油的燃烧和炸弹的爆炸以及能量的猛烈释放。化学反应的过程几乎不可能用人类精确控制，因此化学能变成热能并立即释放出来，不可逆转地。

　　锂的金属形态非常“活跃”，以至于大多数顽皮的孩子不听话，喜欢破坏它。早期的锂电池研究确实集中在锂金属或其合金作为负极，但由于突出的安全问题，近年来，随着对能量密度的追求，这个研究方向有“血复活”的趋势，我们后面会讲到。

　　为了实现能量储存和释放过程中的化学稳定性，即电池充放电循环的安全性和长寿命，我们需要一种电极材料，在活性时活性，在活性时稳定。保持稳定性。经过长期的研究和探索，人们发现了几种锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料作为锂的活性材料。如上图所示，磷酸铁锂的橄榄石结构也是一种非常稳定的负极材料结构。充放电过程中锂离子的脱嵌不会导致晶格塌陷。题外话，锂金属电池确实有但与锂离子电池相比，几乎可以忽略不计。技术的发展最终应该服务于市场。

　　当然，在解决稳定性问题的同时，也带来了严重的“副作用”。那就是锂作为能源载体的比例大大降低，能量密度降低了一个数量级以上。得与失，自然的方式。

　　石墨或其他碳材料常被用作负极的活性材料，它们也遵循上述原则。它们不仅需要是良好的能量载体，而且还需要相对稳定、储量相对丰富，并且易于大规模制造。环顾四周，碳是一个相对最优的解决方案。当然，它不是唯一的解决方案。负极材料有广泛的研究，稍后讨论。

　　电解质的作用是什么？通俗地说，就是游泳池里的“水”，让锂离子可以自由游动。因此，离子电导率要高（游泳阻力小），电子电导率要大小（绝缘）、化学稳定性要好（稳定性压倒性）、热稳定性要好（都是为了安全）基于这些原则，经过长期的工程探索，人们发现高纯度的电解液由有机溶剂、电解液锂盐及必要的添加剂制成。电解液是在一定条件和一定比例下配制而成。有机溶剂包括PC（碳酸丙烯酯）、EC（碳酸乙烯酯）、DMC（碳酸二甲酯）、DEC（碳酸二乙酯）碳酸盐）、EMC（碳酸甲乙酯）等材料。电解质锂盐有LiPF6、LiBF4等材料。

　　添加隔离膜是为了防止正负极材料直接接触。我们想让电池尽可能小，储存尽可能多的能量，所以正负极之间的距离越来越小，为了防止正负极材料短路而导致能量急剧释放，需要一种材料来“隔离”正负极。这就是隔离膜。隔离膜需要具有良好的离子透过性，主要为锂离子自由通过打开通道，同时又是电子的绝缘体，实现正负极之间的绝缘。目前市场上有主要有单层PP、单层PE、双层PP/PE、三层PP/PE/PP复合膜。

　　4.锂离子电池完整材料组成

　　除了上述四种主要材料外，为了让锂离子电池从实验室的“实验产品”变成商业化的产品，还需要一些其他不可缺少的材料。

　　除活性物质外，还有导电剂和粘结剂，以及用作电流载体的基材和集流体（通常为正极铝箔）。粘结剂应将锂金属氧化物均匀“固定”将活性物质转移到正极基板上，导电剂应增强活性物质和基板两者的电导率，以实现较高的充放电电流。集电极负责充当内部和正极之间的电荷转移桥梁。负极的结构与正极基本相同。需要粘合剂来固定活性物质石墨，铜箔作为基材，集流体作为电流的导体。

　　但由于石墨本身导电性好，负极一般不添加导体材料。一个完整的锂离子电池除了上述材料外，还包括绝缘片、盖板、泄压阀、外壳（铝、钢材、复合膜等）及其他辅助材料。

　　锂离子电池生产工艺

　　锂离子电池的生产工艺较为复杂，这里仅对部分关键工艺进行简单介绍。根据极片的组装方式，通常有卷绕和叠片两种工艺路线。

　　叠片工艺是将正负极片切割成小块并堆叠隔离膜合成小电芯单体，然后将小电芯单体并联堆叠形成大电池的制造过程。一般工艺流程如下：

卷绕工序是将正负极极片、隔离膜、正负极极耳、保护胶带、端子胶带等材料固定在设备上，设备放卷完成电芯的生产。

锂离子电池常见的形状主要有圆柱形和方形，根据外壳材料的不同，有金属外壳和软包装外壳。今天的分享就到此结束，我们会提供更多关于锂电池的文章，敬请关注！