锂离子电池的原理及应用

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1、锂离子电池的原理及应用陈硕冰徐林楠傅虹桥李为真卢云杨摘要：分析了锂离子电池的原理，简明分析了锂离子电池的基本结构和组成单元，分析了锂离子电池正负极材料的晶体结构，简单介绍了锂离子电池的应用范围和前景以及正确使用锂离子电池的方法。关键词：锂离子电池；原理；结构；应用1引言无论是军用还是民用，都迫切需要重量轻、体积小、性能高的电源系统，当前各种化学电源的研制、开发和投入使用正在不断地满足这方面的要求。我们知道一个化学电源的电动+-势E=φ—φ，从这个式子中可以看出要获得高的电池电动势就必须使正极的相对电极电势很正而负极的相对电极电势很负，从周期表上看

2、，则应尽量选用活泼金属为负极，活泼非金属为正极，正是基于这一点，锂电池的研制引起了人们很大的关注。锂离子电池是在锂金属电池的基础上发展起来的。由于锂金属电池在充放电时出现锂枝晶，刺破隔膜造成短路，出现爆炸等现象，其发展受到了一定限制，而锂离子电池则较好地解决了这些问题。锂离子电池研究始于20世纪80年代，1991年首先由日本索尼公司推出了批量民用产品。锂离子电池目前有液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）两类。其中液态锂离子电池按正极材料又可分为LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等种类。由于锂离子电池具有比能量高、体积小、重

3、量轻、工作电压高、循环寿命高、基本无记忆效应、无污染、自放电小等优点，受到市场欢迎并迅速占领市场，广泛用于移动通讯、笔记本电脑、移动DVD、摄像机、数码相机、蓝牙耳机等便携式电子产品，大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计它将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到广泛应用。2锂离子电池的原理锂离子电池的电化学表达式为：(-)Cn

4、LiClO4-EC+DEC

5、LiMO2(+)+-正极反应：LiMO2Li1-xMO2+xLi+xe+-或Li1+yMn2O4Li1+y-xMn2O4+xLi+xe+-负极反应

6、：nC+xLi+xeLixCn电池反应：LiMO2+nCLi1-xMO2+LixCn或Li1+yMn2O4+nCLi1+y-xMn2O4+LixCn式中，M为Co,Ni,Fe,W等；正极化合物有LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4,LiFeO2,LiWO2等；负极化合物有LixC6,TiS2,WO3,NbS2,V2O5等。锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组+成。充电时，Li从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同+时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电

7、时则相反，Li从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电的情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构，在充放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物和锂离子浓度有关。目前，用作锂离子电池的正极材料是过渡金属和锰离子嵌入化合物，负极材料是锂离子嵌入碳化合物，常用的碳材料有石油焦和石墨等。图1锂离子电池的充放电目前已商品化的锂离子电池正极是LiCoO2，负极是层

8、状石墨，电池的电化学表达式为-1（-）C6

9、1mol·LLiPF6-EC+DEC

10、LiCoO2(+)电池的充放电反应为LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6正极材料LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O4和负极材料碳的理论容量见表1表1锂离子电池电压和比能量-1电池体系电池反应U/VW0/(Wh·㎏电极反应C’0/(mAh·g)-1)+-C6(g)-0.5LiC6+Li0.5CoO2=3.6360Li0.5CoO2+0.5Li+0.5e=LiCoO2137LiCoO20.5C6+LiCoO2+-C6(g)-0.7LiC6+Li0.3N

11、iO2=3.6444Li0.3NiO2+0.7Li+0.7e=LiNiO2193LiNiO20.7C6+LiNiO2+-2λ-MnO2+Li+e=148C6(g)-LiMn2O4+-LiMn2O4LiC6+Mn2O4=C6+LiMn2O43.6403C6+Li+e=LiC6(焦炭)186（石墨）3723锂离子电池的结构锂离子电池的基本结构为：正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封圈、盖板等。3.1锂离子电池的正极锂离子电池的正极材料必须有能接纳锂离子的位置和扩散的路径。具有高插入点位层状结构的过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2和尖

12、晶石结构的LiMn2O4是目前已应用的性能较好的正极材料。这些正极的插锂电位都可达4V以上。LiCoO2、LiNiO2为层状晶体，六方晶