锂离子电池的正负极材料、应用及原理介绍

锂离子电池是一种可充电二次电池，锂电池的正极材料、负极材料、电解质、隔膜被称为锂电池的四个最核心材料。正负极材料主要功能是使锂离子较自由的脱出/嵌入，从而实现充放电功能。

锂离子电池工作原理

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。

在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，每月在10%以下。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。使用寿命长。没有环境污染，被称为绿色电池。

锂离子电池的应用范围

近年来，锂离子电池的应用范围越来越广泛，锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、特种装备、特种航天等多个领域。目前锂电池已逐步向电动自行车、电动汽车等领域拓展。

锂电池的应用领域主要包括5大方面

一、交通动力电源

二、电力储能电源

三、移动通信电源

四、新能源储能动力电源

五、航天特种电源

锂离子电池正负极材料

正极材料在锂电池的总成本中占据40%以上的比例。锂离子电池正极材料是含有锂的过度金属氧化物，属于一类功能陶瓷材料。对于用于锂离子电池的材料来说，锂离子必须能够在晶体中自由的扩散，晶体结构决定了锂离子的移动维数。目前正在使用和开发的锂电池正极材料中，以过渡金属氧化物所表现出的性能最佳，主要有：层状盐结构的钴酸锂、镍钴酸锂、镍锰酸锂和镍锰钴酸锂三元材料，尖晶石型的锰酸锂，橄榄石型的磷酸铁锂等锂锰氧化物。

正极材料一直是锂离子电池核心，它的选择直接决定了电池性能的高低。正极材料的选择主要是，可逆脱锂和嵌锂的过渡金属氧化物，是锂离子电池的重要成分之一。锂离子正极材料主要以氧化物为主，目前研制成功并得到应用的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等。

锂电池负极材料的发展是高比容量、高充放电效率、高循环性能和较低成本。锂电池主要负极材料有锡基材料、锂基材料、钛酸锂、碳纳米材料、石墨烯材料等。锂电池负极材料的能量密度是影响锂电池能量密度的主要因素之一。

高性能负极材料的研究成为当前锂离子动力电池最为活跃的板块之一。锂电池负极材料目前处于锂离子电池产业中最关键的环节。按锂离子电池成本比例，负极材料占比锂电池总成本的25%～28%。现阶段，锂离子电池负极材料主要有碳材料、过渡金属的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料，含锂的过渡金属的氮化物以及钛酸锂材料。各种材料的比容量和性质又各不相同。

按照材料的组分，通常可以将锂电池负极材料分为2大类：碳材料和非碳质材料。碳材料负极进一步分类为天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球(MCMB)、软炭(如焦炭)负极、硬炭负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等;其他非碳负极材料主要分为硅基及其复合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。

锂离子电池可以说是目前世界上应用最成熟最广泛的新能源，锂离子电池具有比能量高、储能效率高和寿命长等优点，近年来逐步占据电动汽车、储能系统以及移动电子设备的主要市场份额。锂离子电池将会是最受欢迎的电池之一。