锂电池的构成及应用

任璐

随着社会的进步，电池被广泛的使用，对比各种材料的电池，锂电池性能最好。锂电池的主要成分為锂，金属 Li 是一种常见金属，性能非常活泼，是元素周期表金属中原子量最小（6.94）、比重量小（0.534g·cm-3，20℃）、电化学当量最小（0.26g·（A·h）-1）、标准电极电位最负（-3.045V）的金属。用它来作电池性能要优于以往的铅酸电池、镍铅电池等。主要表现在安全性能好、功率及能量密度大，使用寿命长等方面。

1 锂电池的工作原理

在电压及负荷的综合作用下，Li+离子可以从正极材料或者负极材料中脱出。当Li+离子材料由一个电极通过电解液运动到另一个电极时，根据电荷守恒原理：电极材料中的电子将按照相反的方向运动，从而形成电流。当充电时，Li+离子材料从正极运动到负极；当放电时，Li+离子材料从负极运动到正极，此过程伴随着氧化还原反应。一下为钴酸锂电池的电化学反应式。

2 锂电池的构成

人类最早发明铅酸电池，之后发明了镍镉电池、燃料电池以及锂电池等，一百多年来，虽然电池的材料一直在变化，但是基本结构却没有大的改变。例如：铅酸电池主要是由正极、负极、电解质和隔板四个部分组成，而锂电池同样也是由这四部分组成。

2.1 正极材料

锂电池作为二次电池，要求其循环寿命长。一般达到1000次以上的充放电循环。什么正极材料能让Li+离子较为容易地嵌入和脱出？嵌入式化合物比较适合作为锂电池正极材料。迄今为止，成功的嵌入式化合物均为过渡金属氧化物，比如磷酸铁锂，锰酸锂和三元锂。当Li+离子在正极材料中嵌入和脱出时，正极材料内部结构的稳定性至关重要。目前常见的正极材料主要有三种结构类型，分别是层状结构、尖晶石结构及橄榄石。

2.2 负极材料：

锂电池的负极材料主要有三种：石墨材料、氧化物材料和金属材料。金属锂是科学家最先研究的负极材料。其比容量密度很大，放电时性能优良，但是充电时，负极表面会形成锂金属结晶，结晶不断地长大形成枝晶，枝晶不断蔓延至正极，并最终导致短路。随后科学家开始研究石墨材料，由于石墨材料具有完整的层状结构，使得锂离子的脱嵌比较容易，并能与锂形成锂——石墨层间化合物，是一种比较理想的负极材料，目前大部分锂电池均在采用。除去石墨材料之外，还有氧化物负极材料，包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其他氧化物。理论上这种负极材料有较高的比容量，但因从氧化物中置换金属单质消耗了大量锂而导致活性物质损失，钛酸锂具有尖晶石结构可以克服以上缺点，并且具有非常好的耐过充、过放特征。且自身结构不会受到充放电影响。电池循环寿命在3000次以上。目前在大型客车上有应用。

2.3 电解质

电解质从本质上讲是一种媒介，让正负极交换活性物质，电解质本身不与任何物质发生化学反应。目前锂电池上常用的电解质材料为液态，主要成分为LiFSI，用六氟磷酸锂制成的锂电池性能好，寿命长，无爆炸危险，适用性强且环境友好。

2.4 隔膜

在锂电池的正极和负极之间需要有一层隔膜来防止正负极短路。隔膜除了能使正负极隔绝外还要方便锂离子在两极之间运动。隔膜越薄，单位锂电池所能储存的能量就越多，能量密度就越大；隔膜越轻，单位锂电池的重量就越轻。优质隔膜材料不仅能使锂电池变得更轻薄，而且还能使锂电池内阻变得更小。目前，隔膜工艺已经达到10微米级别。制膜工艺分为干法和湿法两种，我国已经掌握干法制膜工艺，隔膜厚度为20-40微米，而日本旭化成公司掌握的湿法制膜工艺可量产6-7微米隔膜，为世界顶尖水平。干法隔膜由于厚度较厚，用于生产体积功率较小的锂电池，而湿法制膜由于工艺先进，厚度薄，可以用来制造体积大功率高的锂电池。

科学技术日新月异地发展，生活中已经离不开电池。锂电池由于其优异的性能，在所有电池中傲视群雄，但由于价格原因，锂电池还不能完全取代其他的电池，比如，18650锂电池的价格是同类型碱性电池价格的10倍。但是锂电池在一些高端产品上使用得越来越普遍，比如说手机，笔记本电脑，摄像机等设备，相信随着时间的推移，锂电池的价格会越来越便宜，能量密度会越来越大。未来在纯电动汽车上，锂电池将大有可为！

（作者单位：长江工程职业技术学院）