简述锂离子电池的工作原理及结构组成

简述锂离子电池的工作原理

很多人的误解是锂离子电池中含有金属锂，其实它只是一种锂离子化合物，在充电时正极分解锂离子，电池的负极是碳。锂离子从正极化合物中嵌入和释放的过程是电池充放电的过程。一般人们用嵌入表示充电，用放电器表示放电。锂离子在正极和负极之间来回插入和拔出的过程就是充放电的过程。因此，锂离子电池也被称为摇椅电池。

锂离子电池充电:充电的过程是锂离子出现和运动的过程，电池正极化合物出现大量的锂离子，经过电解液，锂离子从正极运动到负极。锂离子电池的正极是由碳材料构成的，达到负极的锂离子会被嵌入到碳材料的孔中，碳材料可以容纳更多的锂离子，电池可以容纳的能量越大，也就是常说的容量(mAh)。

锂离子电池放电:放电过程与充电过程相反，锂离子从负极的碳材料孔中，返回正极。锂离子返回正极的数量越多，电池使用的就越多，剩余的就越少。

锂离子电池的电解质是电解质与电池中电极材料之间的相互用途。分解反应存在于电解液本身，它几乎参与了电池中发生的所有反应过程。目前，锂离子电池中含有的电解质多为有机体系。在过充、过放、短路、热休克等滥用的情况下，电池温度迅速升高，电解液一般易燃，经常导致电池起火甚至爆炸。目前，高容量动态锂离子电池商业化的最大障碍是安全问题。因此，选择合适的电解质体系也是锂二次电池获得高能量、长循环寿命和安全性能的关键之一。

电解质是电池的重要组成部分，它可以运输离子并在正极和负极之间传导电流。锂离子电池电解质按其相态可分为液体电解质、固体电解质和熔盐电解质。从锂离子电池传质实际要求出发，电解质必须满足以下基本要求:

(1)离子电导率:电解质不具有电子电导率，但必须具有良好的离子电导率。在一般温度范围内，电解质的电导率在1×10-3~2×10-3s/cm之间。

(2)离子迁移数:电池中的电荷迁移依赖于离子迁移。较高的离子迁移数可以降低电极反应的浓差极化，使电池出现较高的能量密度和功率密度。锂离子的理想迁移数应尽可能接近1。

(3)稳定性:当电解液与电极直接接触时，尽量防止副反应的发生，这就要求电解液具有一定的化学稳定性和热稳定性。

(4)机械强度:电解液要有足够高的机械强度来满足电池的大批量生产和包装工艺。Li等将磷酸三甲酯(TMP)作为高压电解液添加剂，以Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2作为电池的正极并进行试验，结果表明，电解液中加入1%TMP，可以显著提高电池的性能和循环性能。

为了防止传统锂离子电池存在的泄漏、易燃性、爆炸等安全问题，锂二次电池电解液体系向固态发展。固体电解质，也被称为快速离子导体，要高离子导电性、低电子导电性和低活化能。科学家们研究的固体电解质包括无机固体电解质、固体聚合物电解质、固液复合电解质等。在无机固体电解质中，Li+处于流动动力学状态，并通过电解质中的孔洞和/或间隙位置进行迁移。