如安在10分钟内搞懂锂离子电池及构成？
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锂离子电池事情原理
充电历程中，在外加电场作用下，锂离子从电池内里由正极向负极传输，电流颠末外电路从负极流向正极，内里坚持电中性（电子同时颠末外电路从正极流向负极）。放电历程则相反，锂离子与电子从负极回到正极中，外电路电流则从正极流向负极。除了嵌入式反响外，锂离子电池中的反响机制还包含：两相反响(Phase transition mechanism)、转换反响(Conversion reaction mechanism)、化学键反响(Reversible chemical bonding mechanism)、外表存储(Surface charging mechanism)、自在基反响(Organic free radical mechanism)、欠电势堆积(Underpotential deposition mechanism)、界面储存(Interfacial charging mechanism)等反响机制。
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锂离子电池的构成
锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜构成，别的电池内还包含粘结剂、导电炭黑、集流体、极耳、封装质料等构成局部。各主要组分有以下特点：
★（1）能可逆脱嵌锂的活性质料为正负极；正极寻常是氧化复原电位较高的过渡金属氧化物（LiMO2：M是Mn、Co、Ni中的一种或几种），负极是氧化复原电位较低的可嵌锂脱锂的活性质料，如石墨、Si、Sn合金等；
★（2）电解液为锂电池正负极之间的传输前言，寻常为溶有锂盐的碳酸酯类天然溶剂，锂盐主要有 LiPF6、LiClO4等；
★（3）隔膜是具有一定孔隙率且电子绝缘的微孔薄膜，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），隔膜的主要作用是分散电池正负极，制止正负极交往而产生短路，当电池内里由于短路温度上升到凌驾隔膜耐受温度时，常用的 PP/PE 会消融，关闭孔隙以制止Li+经过，避免电池熄灭爆炸。
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锂离子电池正极质料
锂离子电池的正极质料是二次锂电池的紧张构成局部，它不仅作为电极材推测场电化学反响，还要作为锂离子源。在计划和拔取锂离子电池正极质料时，要综合思索比能量、循环功能、宁静性、本钱及其对情况的影响。
抱负的锂离子电池正极质料应该满意以下条件：
①比容量大：要求正极质料有低的相对分子质量，且其宿主布局中能插进多量的Li+；
②事情电压高：要求体系放电反响的Gibbs自在能负值要大；
③充放电的高倍率功能好：要求电极质料内里和外表具有较高的分散速率；
④宁静功能好：要求质料具有较高的化学安定性和热安定性；
⑤容易制备，对情况友好，价格便宜。
锂离子电池正极质料寻常为含锂的过渡金属氧化物和聚阴离子化合物。由于过渡金属屡屡有多种价态，可以坚持锂离子嵌入和脱出历程的电中性；另嵌锂化合物具有干系于锂的较高的电动势，可以确保电池具有开路电压。寻常来说干系于锂的电势，过渡金属氧化物大于过渡金属硫化物。
在过渡金属氧化物中，干系于锂的电势排序为：3d过分金属氧化物>4d过分金属氧化物>5d过分金属氧化物；而在3d过分金属氧化物中，尤以含Co、Ni、Mn元素的锂金属氧化物为主。
现在商品化的锂电池正极质料广泛接纳插锂化合物，如LiCoO2，其实际比容量274mA·h·g-1，实践比容量146mA·h·g-1支配。Li(NiCoMn)O2三元质料，其实际比容量与LiCoO2相近，但实践比容量依据组分略有差别。
LiMn2O4材摒挡论比容量148mA·h·g-1，实践比容量115mA·h·g-1；LiFePO4材摒挡论比容量170mA·h·g-1，实践比容量可达150mA·h·g-1支配。
如今，正极质料的主要提高思绪是在LiCoO2、LiMnO2、LiFePO4等质料的基本上，提高干系的各种衍生质料，此中以三元质料NCM的使用较为广泛。
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锂离子电池负极质料
负极质料作为锂离子电池的紧张构成局部，抱负的负极质料应满意以下几个条件：
①嵌脱Li反响具有低的氧化复原电位，使锂离子电池具有较高的输入电压；
②Li嵌入脱出的历程中，电极电位厘革较小，以确保充放电时电压动摇较小；
③嵌脱Li历程中的布局安定性和化学安定性较好，使电池具有较高的循环寿命和宁静性；
④具有较高的可逆比容量；
⑤精良的锂离子和电子导电性，以取得较高的充放电倍率和温度低充放电功能；
⑥嵌Li电位假如在1.2V以下，负极外表应能天生致密安定的固体电解质膜（SEI），从而避免电解质在负极外表持续复原，不成逆斲丧正极的Li；
⑦制备工艺简便，易于范围化，制造和使用本钱低；
⑧资源丰厚，情况友好。
依据负极与锂反响机理可把浩繁的负极质料分为3类：插进反响电极、合金反响电极和转换反响电极。此中插进反响电极主要指碳负极、TiO2基负极质料；合金反响电极具体是指锡或硅基的合金及化合物；转换反响电极指经过转换反响而对锂有活性的金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物、金属氮化物、金属磷化物、金属氟化物等。
现在负极主要会合在碳负极、钛酸锂及硅基等合金类质料，接纳传统碳负极基本满意消耗电子、动力电池、储能电池的要求，接纳钛酸锂为负极可满意电池高功率密度、长循环寿命的要求，可能进一步提高电池能量密度。
如今商品化的锂离子电池负极有两类。一类为碳质料，如天然石墨、人工构成石墨、正中相碳微球（MCMB)等。与天然石墨比拟，MCMB电化学功能比力出色，主要缘故是颗粒的外外貌均为石墨布局的边沿面，反响活性匀称，易于构成安定的SEI膜，有利于Li的嵌入脱嵌。
另有一类具有尖晶石布局的Li4Ti5O12负极质料，其实际比容量为175mA·h·g-1， 实践比容量可达160mA·h·g-1。固然Li4Ti5O12事情电压较高，但是由于循环功能和倍率功能特别精良，干系于碳质料而言具有宁静性方面的上风，因此这种质料在动力型和储能型锂离子电池方面有剧烈的使用需求。但是易于电解液产生化学反响招致胀气惹起电池鼓包。
下一代高容量的负极质料包含Si负极、Sn基合金。但是合金类负极质料面临高容量随高体积厘革的成绩，为处理体积变大带来的质料粉化成绩，常接纳合金与碳的复合质料，复合质料能在一定水平上提高现有锂离子电池的能量密度，但尚不及预期。
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锂离子电池电解质
锂离子电池液体电解质寻常由非水天然溶剂和电解质锂盐两局部构成。电解质的作用是电池内里正负极之间构成精良的离子导电通道。非水溶液电解质使用在锂电池体系时应该满意下述条件：
①电导率高，寻常3×10-3～2×10-2S·cm-1；
②热安定性好，在较宽的温度范围内不产生分析反响；
③电化学窗口宽，在0～4.5V范围内应是安定的；
④化学安定性高，不与正极、负极、集流体、隔膜、粘结剂等产生反响；
⑤对离子具有较好的溶剂化功能；
⑥没有毒性，蒸汽压低，使用宁静；
⑦可以尽力促进电极可逆反响的举行，制备容易，本钱低。
此中化学安定性、宁静性以及反响速率为主要要素。
锂电池天然电解液由高纯天然溶剂、电解质锂盐和必要添加剂构成。现在常用天然溶剂有碳酸乙烯酯，它具有比力高的分子对称性、较高的熔点、较高的离子电导率、较好的界面实质、可以构成安定的SEI膜，处理了石墨负极的溶剂共嵌入成绩。但必需与共溶剂一同添加使用。这些共溶剂主要包含碳酸丙烯酯和一些具有低粘度、低沸点、低介电常数的链状碳酸酯，如二甲基碳酸酯。别的其他链状碳酸酯也渐渐被使用于锂离子电池。
现在商业上使用的是LiPF6，LiPF6的单一实质并不是最优的，但其综合功能最有上风。LiPF6在常用天然溶剂中具有比力适中的离子迁徙数、较好的抗氧化功能和精良的铝箔钝化才能，使其能与种种正负极质料婚配。但LiPF6的化学和热力学安定性不够好，室温下便产生反响：LiPF6(s)→LiF(S)+PF5(g)，低温下分界尤其严峻。PF5是强路易斯酸容易打击天然溶剂中氧原子，招致溶剂的开环聚合和醚键裂解。其次，LiPF6对水比力敏感，痕量水的存在就会招致其分析，且产物惹起界面电阻增大，影响锂离子电池的循环寿命，腐化电极与集流体，严峻影响电池电化学功能。
除锂盐和溶剂外，添加剂也是电解液不成或缺的一局部。添加剂的特点是用量少但是能明显改良电解液某一方面的功能。不同添加剂有不同的作用，按其功效可分为：阻燃添加剂、成膜添加剂，另有些添加剂可以提高电解液的电导率、提高电池循环听从等。现在研讨的功效添加剂主要有提高电池宁静性的阻燃添加剂、耐过充添加剂，针对高电压电池的高电压电解液等，也有针对胀气鼓包等成绩研讨的特别添加剂。
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锂离子电池隔膜
对锂离子电池隔膜的要求：在电解液中具有精良的化学安定性及一定的机器强度，并能耐受电极活性物质的氧化/复原作用，耐受电解液的腐化；隔膜对电解质离子活动阻力要小，进而减小电池内阻，使电池在大电放逐电时能量斲丧变小，这就必要一定的孔径和孔隙率；应是电子的精良绝缘体，并能拦截从电极上寥落物质微粒和枝晶的生长；热安定性和主动关断保护功能好。固然还要质料泉源丰厚，价格便宜。
锂电池隔膜质料的主要功能要求另有：厚度匀称性、力学功能、透气功能、理化功能等四大功能目标。锂电池隔膜质料依据不同理化特性，可分为：织造膜、无纺布、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜等几类。因聚烯类质料具有精良力学功能、化学安定性和相对便宜的特点，至今商品化锂电池隔膜质料仍主要接纳聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔薄膜。为提高动力电池宁静性，在聚烯烃微孔薄膜基本上制备功效性复合隔膜，如陶瓷隔膜等。
参考材料：
刘芹. 高电压钴酸锂的改性及其储能特性的研讨
谭铭. 高能量密度锂离子电池4.6V高电位钴酸锂正极质料研讨
李卫. 动力锂离子电池正极质料锰酸锂的构成及功能研讨
张杰男. 高电压钴酸锂的没效分析与改性研讨
吴宇平. 锂离子电池——使用与实践
李泓. 锂离子电池基本封建成绩
杜春雨. 锂离子电池高电压电解液
Zhou H H. Progress in studies of the electrode materials for Li ion batteries
王伟东. 锂离子电池三元质料工艺武艺及消费使用
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