锂离子电池的基本构成是如何的【钜大锂电】

锂离子电池内部要蕴含几种基本材料：正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质。下面做简单论述，这些材料都是干嘛的。

正负极不难理解，要实现电荷移动，就要存在电位差的正负极材料，那么什么是活性物质？我们了解，电池实际上是将电能和化学能相互转换，以实现能量的存储和释放。要实现这个过程，就要正负极的材料很容易参与化学反应，要活泼，要容易氧化和还原，从而实现能量转换，所以我们要活性物质来做电池的正负极。

上面已经提到，锂元素是我们做电池的优选材料，那么为甚么不用金属锂来做电极的活性物质呢？这样不是可以达到最大的能量密度吗？

我们再看上面这张图，氧(O)、钴(Co)、锂(Li)三种元素构成了非常稳定的正极材料结构(图中的比例和排列仅作参考)，负极石墨的碳原子排列也具有非常稳定的层状结构。正负极材料不但要活泼，还要具有非常稳定的结构，才能实现有序的，可控的化学反应。不稳定的结果有什么？想想汽油燃烧和炸弹爆炸，能量剧烈释放，这个化学反应的过程实际上是无法人为去精确控制的，于是化学能变成了热能，一次性把能量释放完毕，而且不可逆。

金属形态存在的锂元素太活泼了，调皮的孩子多半都不听话，喜欢搞破坏。早期针对锂离子电池的研究，实在是聚集以金属锂或其合金作为负极这个方向，但是因为安全问题突出，不得不寻找其他更好的路径。近年来，随着人们对能量密度的追求，这个研究方向又有满血复活的趋势，这个我们后面会讲到。

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为了实现能量存储和释放过程中的化学稳定性，即电池充放电循环的安全性和长寿命，我们要一种电极材料，在要活泼的时候活泼，在要稳定的时候稳定。经过长期的研究和探索，人们找到了几种锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料，作为电池正极或负极的活性物质，处理了上述问题。如上图所示，磷酸铁锂的橄榄石结构也是一种非常稳定的正极材料结构，充放电过程中锂离子的脱嵌，并不会造成晶格坍塌。题外话，锂金属电池实在是有的，但与锂离子电池相比，几乎可以忽略不计，技术的发展，最终还是要服务于市场。

当然，在处理了稳定性问题的同时，也带来了严重的副用途，就是作为能量载体的锂元素占比大大降低，能量密度降了不止一个数量级，有得必有失，自然之道啊。

负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质，也是遵循上述的原则，既要求是好的能量载体，又要相对稳定，还要有相对丰富的储量，便于大规模制造，找来找去，碳元素就是一个相对优解。当然，这并不是唯一解，针对负极材料的研究很广泛，后面有论述。

电解质是干嘛的？通俗的讲，就是游泳池里面的水，让锂离子能够自由的游来游去，所以呢，离子电导率要高(游泳的阻力小)，电子电导率要小(绝缘)，化学稳定性要好(稳定压倒一切啊)，热稳定性要好(都是为了安全)，电位窗口要宽。基于这些原则，经过长期的工程探索，人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。有机溶剂有PC(碳酸丙烯酯)，EC(碳酸乙烯酯)，DMC(碳酸二甲酯)，DEC(碳酸二乙酯)，EMC(碳酸甲乙酯)等材料。电解质锂盐有LiPF6，LibF4等材料。

隔离膜则是为了阻止正负极材料笔直接触而加进来的，我们希望把电池做的尽可能的小，存储的能量尽可能的多，于是正负极之间的距离越来越小，短路成为一个巨大的风险。为了戒备正负极材料短路，造成能量的剧烈释放，就要用一种材料将正负极隔离开来，这就是隔离膜的由来。隔离膜要具有良好的离子通过性，紧要是给锂离子开放通道，让其可以自由通过，同时又是电子的绝缘体，以实现正负极之间的绝缘。目前市场上的隔膜紧要有单层PP，单层PE，双层PP/PE，三层PP/PE/PP复合膜等。