钜大LARGE | 点击量：2639次 | 2021年04月23日
锂离子电池工作原理及其制造方法介绍
锂离子电池体系是由日本Asahi（朝日化学制品公司）在20世纪80年代初开始研究和开发的，并由Sony（索尼公司）于1990年将其商业化。锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、工作温度宽、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等特点。锂离子电池是由正极材料、负极材料、电解液和隔膜等构成的。正负极材料通常是由可发生可逆锂离子脱嵌或者氧化还原反应的活性物质组成。正负极材料的种类对电池的容量和能量密度起决定性用途。其中钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料和磷酸盐类材料是目前市场上重要的商业化正极材料；而石墨、金属及其氧化物、钛酸锂以及硅负极是重要使用的负极材料；作为维持在电池内部正负极之间锂离子的迁移与扩散的桥梁，电解液通常是由含锂盐化合物与有机碳酸酯溶剂混合组成，现阶段重要以液态电解液为主；隔膜重要由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）微孔膜和纤维膜组成，其用途放在正负极之间防止正负极直接接触，导致短路，同时禁止电子通过而允许锂离子通过。近些年来，锂离子电池常被设计成纽扣型、圆柱型、方型和平板型等多种形状以满足不同的市场应用需求，如图1所示。
1.2锂离子电池工作原理
图2是以过渡金属氧化物（LiTMO2）/石墨（C）组成的锂离子电池的工作原理示意图。充电时，在外电压的用途下，正极材料LiTMO2中的锂离子脱出形成Li1-xTMO2且锂离子经由电解液向负极迁移扩散并嵌入负极表面或体相中形成嵌锂化合物LiCx，而电子则经由外电路向负极迁移构成回路并形成电流，这就实现了能量的存储。放电过程则是充电过程的逆反应，锂离子从LiCx嵌锂化合物中脱出并同时释放电子，锂离子通过内电路（或电解质）从负极扩散到正极中以维持电荷平衡，然后通过组合电子与Li1-xTMO2脱锂正极材料反应再次形成LiTMO2，最后实现释放的能量。因此可以得出结论，锂离子电池的充放电过程就是正负极材料可逆的氧化还原过程，且锂离子电池整体性能取决于正负极材料锂离子脱出或嵌入数目的能力，锂离子脱嵌能力较差的正负极材料会出现不可逆容量损失，造成容量衰减，性能下降。
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锂离子电池的制造工艺
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
从上面的介绍可以看出，锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液、包装材料等组成。锂离子电池的制造过程就是将上述材料按照一定的工艺流程将其组装在一起。典型的锂离子电池制造工艺流程包括搅拌、涂布、辊压、分条制片、组装、注液、化成、老化、分容、检测等工序。图3为聚合物锂离子电池制造流程。
2.1搅拌涂布
搅拌就是按照一定的配方将正（负）极粉末、导电剂、粘结剂和溶剂经过高速搅拌均匀后，形成浆料。其中导电剂重要有炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯等；常用的正极粘结剂为为聚四氟乙烯（PVDF），溶剂为N-甲基吡咯烷酮；常用的负极粘结剂为羧甲基纤维素（CMC）和丁苯橡胶（SBR）混用，溶剂为去离子水。常用的高速搅拌设备为双行星搅拌机。
然后将上述正极（负极）浆料按照一定的面密度均匀涂覆在金属箔材上，烘烤干燥之后得到极片。正极使用的箔材为铝箔，负极使用的箔材为铜箔。常用的涂布设备为挤压式涂布机、刮板式涂布机或喷涂式涂布机。
2.2组装
将涂布好的极片进行辊压，一方面使得正极（负极）材料与导电剂等紧密接触，另一方面使极片达到规定的厚度以保证电池的能量密度，同时使得极片表面光滑。常用的辊压设备为辊压机。将辊压好的正极（负极）极片按照设计的宽度进行分切、点焊极耳、贴胶纸等，就得到正极（负极）小片，然后在正极小片和负极小片之间放入隔膜，并卷绕成卷芯，最后将卷芯放入包装壳中，经过真空干燥除水之后，并注入电解液，封口，就得到了锂离子电芯。
2.3化成分容
刚组装好的电芯是没有电的，必须经过充电激活才能使用。锂离子电池的首次充电叫做化成，其用途是激活电芯中的活性材料，一般情况下首次充电采用较小的电流，以在负极材料表面形成良好的SEI膜，以保证电池的电化学性能和循环寿命。化成之后，进行老化、分容、自放电测试等工序就可以得到锂离子电池。
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锂离子电池的应用
锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、自放电低等优点，是目前能量储存和转换的理想装置之一。目前已广泛应用于手机、笔记本电脑、消费类电子产品、电动自行车、电动工具、纯电动汽车、混合动力汽车、无人机、移动基站、大型储能电站、特种等诸多领域中。
目前锂离子电池的最大的应用市场之一就是纯电动汽车。图4特斯拉汽车上的汽车动力锂电池的示意图，目前TeslaModel3使用的是日本松下生产的21700电芯组成的电池组。标准版的Model3的续航里程为350km，电池组容量为50kWh，使用2976节21700电芯，每31节电芯构成一个电池砖。这些电池砖又被分为4个模块，其中2组包含23个电池砖的模块，2组包含25个电池砖的模块。
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