锂电池原理

锂电池原理是什么？我们一起来看看吧！

锂电池原理

锂电池的正极材料是LiMn2O4，负极材料是石墨。充电时正极的Li加和电解液中的Li加向负极聚集，得到电子，被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中。放电时镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子，进入电解液，电解液内的Li加向正极移动，利用化学反应实现放电过程。

锂电池的结构

锂电池的结构由五部分组成：正极、负极、电解液、隔膜、外壳和电极引线。锂电池的结构可分为缠绕型和堆积型两大类。液体锂电池具有缠绕结构，而聚合物锂电池同时具有缠绕结构。

阴极材料：活性材料、导电剂、溶剂、粘合剂、基体。在锂电池中，正材料市场容量最大，附加值较高，约占锂电池成本的30%，毛利率低水平15%，高水平70%以上。目前，材料已批量应用于锂电池，主要包括锂钴氧化物、锂锰氧化物、锂镍镍锰氧化物、锂钴镍锰氧化物和磷酸铁锂。

负极材料：活性物质（石墨，MCMB，CMS）、粘合剂、溶剂和基体。负电极材料在锂电成本中所占比例较低，主要包括碳负极材料和非碳负极材料。

锂电池的应用

目前，锂离子电池广泛应用于手机、笔记本电脑、电动工具、电动车、路灯、备用电源、航空灯、家用电器等领域，可以说是最大的应用群体。该电池主要用于消费品、数码产品、动力产品、医疗和安全。锂电池因其良好的性能、高的环境适应性和绿色的环保而被广泛应用于商业应用，电池的良好性能体现在其高储能密度上，约为铅酸蓄电池的6倍，而其重量仅为铅酸蓄电池的1/6，电池的循环寿命可达到6年以上。锂电池的高环境适应性体现在其高功率承载能力、较强的耐低温性和较低的自放电概率，大大扩展了电池的应用范围和应用领域；其绿色环保体现在锂电池的生产和使用中，不含有或产生任何有害的金属元素和物质，如铅、汞、镉。

锂离子电池的制作工艺

锂离子电池的制作工艺比较复杂，此处仅就部分关键工序做简单描述。根据极片装配方式的不同，通常有卷绕和叠片两种工艺路线。叠片工艺是将正极、负极切成小片与隔离膜叠合成小电芯单体，然后将小电芯单体叠放并联起来，组成一个大电芯的制造工艺，其大体工艺流程：卷绕工艺是将正负极片、隔离膜、正负极耳、保护胶带、终止胶带等物料固定在设备上，设备经过放卷完成电芯制作。锂离子电池的常见外形主要有圆柱形和方形，根据壳体材料不同，又有金属外壳和软包外壳等。

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锂电池原理化学方程式

锂离子电池工作原理

锂离子电池是指使用能吸入或解吸锂离子的碳素材料作为负极活性物质，使用能吸入或解吸锂离子并含有锂离子的金属氧化物作为正极活性物质，依据化学原理制成的可充电电池。

电池充放电时，在正、负极反复吸入或解吸的是锂离子（Li ），故而称之为锂离子电池。

锂离子电池主要包括正极、负极和电解质，它利用锂离子在正极和负极之间形成嵌入化合物的锂状态和电位的不同，通过自由电子的得失来实现充电和放电过程。充电时，Li 从正极脱嵌。

反应式为：

负极反应：LixCxLi xe- C

正极反应：MO2 xLi xe-LixMO2

总反应：LixC MO2C LixMO2

在充电过程中，锂离子和电子从层状过渡金属氧化物晶格中脱出，产生一个电子空穴和一个锂空穴。产生的锂离子经由电解液，通过隔膜到达负极，嵌入到石墨层中。同时，电子通过外电路到达负极与锂离子结合。在充放电过程中，锂离子反复在正极和负极之间嵌入和脱出。

锂离子在正负极之间并不是简单地发生浓差变化，正负极也不是简单地存储和释放锂离子，因为锂离子在正负极材料中嵌入和脱出的同时引起材料中其它元素的氧化还原反应，正是这种氧化还原反应完成了化学能和电能之间的转变，通过氧化还原电势差提供了正负极之间的电压。

电极材料的电极电位须与电解液匹配：正极及负极的电化学势（μC和μA）

必须与电解液的电化学窗口（Eg）相适应（μA-μC≤Eg）。当正极电化学势低于电解液的最高占据分子轨道能量（HOMO）时，在没有SEI膜存在的情况下，正极材料参加电化学反应失去电子时会引起电解液同时失去电子而被氧化，所以正极材料的电化学势μC必须高于电解液的最高占据分子轨道能量（HOMO）。

同样的为了避免电解液的还原，负极材料的电化学势μA必须低于电解液的最低空分子轨道能（LUMO）。但在实际应用中，由于电极表面SEI膜的形成，使正负极材料有更多的选择。

通常对于一个给定的电池，可以通过标准电极电势来计算实际电池正负极之间的电势差。

考虑如下的电化学反应：

pA qB==rC sD ❶

❶式中，p、q、r和s是化学物质A、B、C和D的化学计量系数。上面方程式的吉布斯自由能变化可用方程式❷表示其中a是活度。

ΔG = ❷

（平衡状态下的电功（Wrev）是最大的可能电能（Wmax），电池发生化学反应时，可以通过吉布斯自由能的变化ΔG来表示。

Wrev=Wmax ❸

-Wmax=ΔG ❹

同时，电能与电荷Q（单位为库仑，C）和电势E有如下关系：

-Wmax=QE ❺

Q可用电池单元内的电子数和基本电荷电量的乘积表示：

Q=nNAe ❻

NA为阿伏伽德罗常数，NA=6.023×1023。 Q还可以用下面的方程式表示。

Q=nF ❼

式中，F是法拉第常数，即每摩尔电子的基本电荷数，96485C/mol。n （mol）电子在电势差的作用下在两电极间运动可用下述公式进行表达：

Wmax=nFE ❽

ΔG=-nFE ❾

上式表明了平衡时吉布斯自由能的变化与电池电动势之间的关系。 当所有反应物和产物都处于标准状态时，标准电势用E0表示。

ΔG0=-nFE0❿

由方程式❶ 和式❿可导出下面的能斯特方程式，其中电势差受参与化学反应的组分的浓度的影响。

锂离子电池正极材料 锂离子电池的正极是整个电池中可嵌脱锂离子的来源，其基本要求包括：

①放电反应应该有较负的吉布斯自由能放电电压较高。

②基体结构的分子量要低并且能够插入大量的Li 高质量比容量。

③主体结构的Li 扩散和电子迁移速度必须快，高功率密度。

④Li 嵌入与脱出可逆，嵌脱过程中主体结构的变化要小循环长、寿命长。

⑤化学稳定性要好，无毒，性价比高。