鋰離子電池的工作原理和結構

鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池。而真正的鋰電池由于危險性大，很少應用于日常電子產品。

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現代高性能電池的代表。

鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。

一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內部的電化學反應需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產生泡沫，反而不滿。

對電池來說，正常使用就是放電的過程。

鋰電池放電需要注意幾點：

第一，放電電流不能過大，過大的電流導致電池內部發熱，有可能會造成永久性的損害。在手機上，這個倒是沒有問題的，可以不考慮。

第二，絕對不能過放電！鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導致電池報廢。好在手機電池內部都已經裝了保護電路，電壓還沒低到損壞電池的程度，保護電路就會起作用，停止放電。從圖上可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。

鋰離子電池結構

正極：活性物質，導電劑、溶劑、粘合劑、基體。

電池放電時從外電路獲得電子的電極,此時電極發生還原反應。通常是電位高的電極。鋰離子電池中的鈷酸鋰、錳酸鋰電極等。

負極：活性物質（石墨、MCMB、CMS)，粘合劑、溶劑、基體。

電池放電時向外電路輸送電子的電極，此時電極發生氧化反應。通常是電位低的電極，鋰離子電池中石墨電極。

隔膜

隔膜是放置于兩極之間，作為隔離電極的裝置，藉以避免兩極上的活性物質直接接觸而造成電池內部的短路。但隔膜仍需能讓帶電離子通過，以形成通路。

隔膜要求：

1、離子透過度大

2、機械性強度適當

3、本身為絕緣體

4、不與電解液及電極發生反應

材質：單層PE（聚乙烯）或者三層復合PP（聚丙烯） +PE+PP

厚度：單層一般為0.016～0.020mm，三層一般為0.020～0.025mm

電解液

外殼五金件（鋼殼、鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片、絕緣膠帶）

鋰離子電池電芯原材料

正極材料

正極材料在鋰電池中市場容量最大、附加值較高，大約占鋰電池成本30%，毛利率低則15%，高則70%以上。

目前已批量應用于鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、鈷鎳錳酸鋰以及磷酸鐵鋰。

鎳酸鋰電池安全性最差（過充易起火），高溫耐受度最低（高溫分解），合成難度最高。

鈷酸鋰最早實現商業化應用，技術發展至今已經很成熟，并已廣泛應用在小型低功率的便攜式電子產品上，如手機、筆記本電腦和數碼電子產品等。

磷酸鐵鋰作為鋰離子電池用正極材料具有良好的電化學性能，充放電平臺十分平穩，充放電過程中結構穩定。同時，該材料無毒、無污染、安全性能好、可在高溫環境下使用、原材料來源廣泛等優點，是目前電池界競相開發研究的熱點。

負極材料

負極材料占鋰電成本比例較低，主要有碳負極材料和非碳負極材料。

碳負極材料：被目前商品鋰離子電池廣泛采用。

優點：安全、循環壽命較長，價格低廉、無毒。

缺點：質量比能量比較低。

非碳負極材料：按組成分為鋰過渡金屬氮化物、過渡金屬氧化物和納米合金材料。

優點：有很高的體積能量密度。

缺點：循環穩定性差，不可逆容量較大，制備成本較高，尚未產業化。

負極材料未來以提高容量和循環穩定性為目標，將碳材料與各種高容量非碳負極材料復合以開發高容量、非碳復合負極材料。

隔膜材料

市場化的隔膜材料主要是以聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）為主的聚烯烴（Polyolefin）類隔膜，其中PE 產品主要由濕法工藝制得，PP 產品主要由干法工藝制得。

PE產品與PP產品的特征比較：

1、PP 相對更耐高溫，PE 相對耐低溫；

2、PP 密度比PE ??；

3、PP 熔點和閉孔溫度比PE高；

4、PP 制品比PE 脆；

5、PE 對環境應力更敏感。

主要的隔膜材料產品有單層PP、單層PE、PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆、雙層PP/PE、雙層PP/PP 和三層PP/PE/PP 等，其中前兩類產品主要用于3C 小電池領域，后幾類產品主要用于動力鋰電池領域。

在動力鋰電池用隔膜材料產品中，雙層PP/PP 隔膜材料主要由中國企業生產，在中國大陸使用，這主要是因為目前階段還沒有中國企業能將PP 與PE 制成雙層復合膜的技術和能力。而全球汽車動力鋰電池使用的隔膜以三層PP/PE/PP、雙層PP/PE以及PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料產品為主。與此同時，其他一些新型隔膜材料產品也在不斷涌現并開始實現應用，不過，因量少價高，主要還是用在動力鋰電池制造領域。這些產品主要有：涂層處理的聚酯膜（PET，Polyethylene Terephthalate）、纖維素膜、聚酰亞胺膜（PI）、聚酰胺膜（PA），氨綸或芳綸膜等等。這些隔膜的優點是耐高溫，且具有低溫輸出、充電循環壽命長、機械強度適中的特點?？偟膩砜?，鋰電池隔膜材料產品呈現出明顯的多樣化發展趨勢。

電解液

鋰離子電池電解液材料重點在于高安全性、高環境適應性，主要發展將集中在：新型溶劑（工作溫度范圍拓寬）、離子液體、新型鋰鹽（提高環境適應性）、添加劑（阻燃、氧化還原穿梭、保護正負極成膜等）等方面，與新型正、負極材料相匹配，提高安全性、功率和容量，最終安全方便地應用于電動車、儲能、航天以及更廣泛的領域。

鋰離子電池的制造工藝流程

鋰離子電池生產用的主要設備

真空行星攪拌機

用途：將各種電池材料均勻的攪拌成漿狀。

電極涂布機

用途：攪拌后的漿料均勻涂膜在金屬箔片 上。對漿料的涂布厚度精確到3微米以下。

輥壓機

用途：涂布后的極片進一步壓實，提高電池的能量密度。

極片分切設備

超聲焊接導電柄設備

卷繞機

用途：將制造好的極片卷繞成電池

手套箱

用途：保證在低濕度環境下將電解液與卷芯封裝在一起

注液機

用途：保證高精度的流水化將電解液真空注入電池包裝材料內

化成測試設備

用途：將做好的電池充電活化，產生電壓，同時測試電池的容量。

審核編輯：湯梓紅