【物理论文】浅谈如何正确使用锂离子电池

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1、【物理论文】浅谈如何正确使用锂离子电池摘要：锂离子电池以其比能量高、功率密度大、循环寿命长、自放电小、性价比高等优势已经成为当代便携式电子产品的可再充式电源的主要选择对象，可广泛应用于通讯、交通、机动车辆、军事、计算器具和家用电器等诸多方面。对锂离子电池而言，其主要构成材料包括电解液、膈膜、正负极材料。不仅要对它的电化学性能有所了解，更要注意对锂离子电池的使用方法，正确得当的使用锂离子电池，将让人们的生活变得更加方便快捷。1锂离子电池的工作原理下图为正极、石墨为负极为例的工作原理图。一个锂离子电池主要由

2、正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。一般来讲，锂电池种类很多，但它们的工作原理基本相同。在充电时，锂离子脱离正极材料，再通过隔膜以及电解液，再进入负极材料，放电过程正好跟充电相反。以常见的液态锂离子为例，当以石墨为负极材料，以为正极材料时，其充放电原理为：正极反应：.负极反应：.电池总反应：.电池放电为上述的相反过程。2生活中常见的几种正极材料1.1的晶体结构具有高的能量密度，优异的循环性能，是目前工业上最广泛使用的锂电池正极材料。有三种物相，分别为

3、层状结构、尖晶石结构的和岩盐相。层状的中氧原子采取畸变的立方密堆积，锂和中心过度金属原子分别形成与氧原子层平行的单独层，层和层交替分布层两侧，占据八面空隙，通过它们的相互层叠堆积形成六方晶系的超点阵，所以层状的框架结构可为锂原子提供二位的迁移通道；尖晶石结构的氧原子为理想立方密堆积排列，层中含有25%钴原子，层含有25%锂原子。岩盐相晶格中和随机排列，无法清晰地分别出锂层和钴层。所以在正极材料的应用中通常不采用岩盐相的。同时由于锂层中的钴原子会阻碍锂原子的可逆脱嵌，造成中的传质速度变慢，而脱锂时的反应活

4、性高，容易在电极表面形成钝化膜，所以材料的实用化也难以实现。2.1的晶体结构具有规整的橄榄石结构，属于正交晶系（，），每个晶胞中有四个单元。其结构如下在中，氧原子以稍微扭曲的六方紧密堆积方式排列，和各自处于氧原子八面体中心位置，形成八面体，只不过占据的是共角的白面体位置而占据的是共边的八面体位置。交替排列的八面体、八面体和四面体形成层状空间骨架。由于近乎六方堆积的氧原子的紧密排列，使得锂离子只能在二维隧道内迁移，也因此具有了较高的理论密度（）。该材料中和以强共价键牢固结合极大地稳定了材料的晶体结构，从而

5、使材料具有很高的热稳定性。许多研究表明：具有稳定有序橄榄结构的晶体是较理想的锂电池正极材料。2.2的电化学性能在纯相的橄榄石结构晶体结构中，相对金属锂的电压为3.4V，理论容量为170，实际容量可达到160左右。在充电过程中很稳定，不必考虑温度变化度晶体结构的影响，且它的充放电曲线平台很长。充电时，锂离子从层面间迁移出来，经过电解进入负极，发生的氧化反应，为保持电荷平衡，电子从外电路到达负极。放电时则发生还原反应，与上述过程相反。的正极嵌脱锂的反应时两相反应：正极反应：负极反应：3.1的晶体结构系形成的

6、化合物较多，可作为正极材料的主要有、、和，这些化合物在合成和充放电过程中，容易发生结构转变，对材料的电化学性能产生不利的影响。这里介绍尖晶石型中股价构型，该骨架是四面体以及八面体共同面的三维网络，这种网络有利于其中原子的扩散，如下图所示。尖晶石属于空间群，锂原子占据了四面体（8a）位置，锰原子占据了八面体（16d）位置，氧原子占据了面心（32e）位，因此，该结构可以表示成为。由于普通面心立方结构的边长是尖晶石结构的晶胞边长的一半，因此可以把尖晶石结构认为是一个复杂的立方结构，包含了八个普通的面心立方晶胞

7、。所以，一个尖晶石的晶胞包含有32个氧原子，16个锰原子占据32个八面体间隙（16d）的一半，另一半八面体（16c）侧空着，锂占据64个四面体间隙位（8a）的1/8。可知，锂原子通过空着的相邻四面体和八面体间隙沿8a-16c-8a的通道在的三维网络中脱嵌。正是由于具有这种的正尖晶石结构且锂锰氧化物资源丰富、毒性低，才使它在众多锂离子电池正极材料中脱颖而出，被认为是最有应用前景的4V锂离子电池正极材料。3.2的电化学性能4V电池，理论容量为148循环200次后比容量保持在100以上。它的主要缺陷是：（1）

8、在电解液中，容易发生歧化反应生成溶解于电解液中，造成活性物质损失；（2）在深度放电过程中，锰的平均价态为3.5时会发生姜-泰勒效应，导致晶体的对成型从立方晶系逐渐转变为四方晶系；（3）电解液与电极之间在充放电过程会消耗，导致两电极间容量平衡发生改变是整个电池的比容量降低。从而导致电池经过多次循环后发生电容量衰退。因此克服循环容量衰减是研究锂离子正极材料重要工作。3锂电池的使用常识锂离子电池，具有重量轻，容量大，寿命长的特点，是目前电池的最佳