鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2019年02月14日
鋰離子電池全解析
鋰電池即鋰金屬電池，一般是指使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。放電反應為：Li+MnO2=LiMnO2。然而，通常金屬態的鋰非?；顫?，會與電解質產生不良反應，導致電解質過熱，甚至導致燃燒。由于金屬鋰的安全問題尚未完全突破，目前商用化的鋰系電池均為鋰離子電池。
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），主要依靠鋰離子在正負極之間的往返嵌入和脫嵌來工作，實現能量的存儲和釋放。
以鈷酸鋰正極、石墨負極系鋰離子電池為例：充電時，在外加電場的作用下，正極材料LiCoO2分子中的鋰元素脫離出來，成為帶正電荷的鋰離子Li+，從正極移動到負極，與負極的碳原子發生化學反應，生成LiC6，從而“穩定”的嵌入到層狀石墨負極中。放電時相反，內部電場轉向，Li+從負極脫嵌，順電場方向，回到正極，重新成為鈷酸鋰分子LiCoO2，這樣的工作原理被形象的稱為“搖椅電池”。參與往返嵌入和脫嵌的鋰離子越多，電池可存儲能量越大。
LiCoO2/C系鋰離子電池工作原理
LiCoO2/C系鋰離子電池充放電反應式
鋰離子電池結構與材料
鋰離子電池有著能適應不同應用場景的各種形狀和構造，其主要構成均為正極、負極、隔膜、電解液及外殼。
鋰離子電池結構圖：
a.圓柱型鋰離子電池
b.方型鋰離子電池
c.紐扣鋰離子電池
d.薄膜鋰離子電池
(圖片出處：JM,ArmandM.Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries[J].Nature,2001,414(6861):359-367.)
正極
為了實現上述能量存儲與釋放的功能，正極材料需要有穩定的電化學性能，不易分解的結構，較高的氧化還原電位和越高越好的比容量，經過產學界長期的研究和探索，現已付諸商用的正極材料有：磷酸鐵鋰（LFP）、鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）以及三元材料：鎳鈷錳酸鋰（NCM）、鎳錳鋁酸鋰（NCA）等。正極材料占鋰離子電池成本30%--40%，直接影響鋰離子電池的能量密度和性能。
磷酸鐵鋰
圖注：其穩定的橄欖石結構，有助于在充放電即鋰離子的脫出與嵌入過程中保持結構的穩定，不出現晶格坍塌。
（圖片來源：Chem.Mater.,Vol.22,No.3,2010）
在實際應用中，完整的鋰離子電池正極結構除上述活性物質嵌鋰化合物外還包括導電劑、粘結劑和集流體。粘結劑將上述正極材料“固定”在正極基帶上，導電劑增強活性物質與基體的電導率，以達到更大的充放電電流，集流體負責充當電池內外部的電荷轉移橋梁。
負極
負極材料需由相對于鋰電極電勢更低的材料構成，并具有高比容量和較好的充放電可逆性，從而在嵌鋰的過程中保持良好的尺寸和機械穩定性。
目前商用負極活性物質以碳材料石墨類為主。然而，常規石墨負極材料的容量和倍率性能已經難以滿足鋰離子電池下游產品的需求。硅-碳(Si-C)復合材料為代表的新型高容量負極材料是未來發展趨勢。
負極的結構與正極基本相同，使用粘結劑來固定活性物質，使用銅箔作為基體和集流體來充當電流的導體，由于石墨本身具有良好導電性，一般無需添加導電劑材料。
電解液
電解液在正負電極間起到運輸電荷的作用，它影響著鋰離子電池的能量密度、功率密度、寬溫應用、循環壽命、安全性能等因素。理想的電解液應具有高的離子電導率，寬的電化學穩定窗口（0-5V）不與集流體和恬性物質發生化學反應，和好的熱穩定性以實現更大的工作溫度范圍，且安全、無毒、無污染。
基于這些原則，經過長期的工程探索，人們找到了由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、和必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的電解液。
隔膜
我們希望電池的存儲能量盡可能多而體積盡可能小，于是正負極之間的距離越來越小，短路成為一個巨大的風險。為了防止正負極材料短路，造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負極“隔離”開來，這就是隔膜的由來。
隔膜的孔徑需滿足良好的離子通過性，吸液保濕能力強，保持離子導電性；同時具有電子絕緣性，以實現正負極之間絕緣的機械隔離，此外應有足夠的穿刺強度、拉伸強度等力學性能及耐腐蝕性和足夠的電化學穩定性。目前市場上的隔膜主要采用聚烯微多孔膜如PE、PP或其復合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。
除了以上材料外，一個完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體（鋁，鋼，復合膜等），以及其他輔助材料。
鋰離子電池制作工藝
鋰離子電池的制備工藝包括：電極制片電芯裝配激活檢測PACK電池組裝。
電極制片
極片是電池結構中最核心的部分，直接影響電池性能。
極片制作要求粒度分布均勻、極片涂布均勻、分切后極片無毛刺，無變形，無粉塵影響、以及高效節能、自動化的生產技術。
電芯裝配
卷繞/疊片：極片卷繞/疊片為電芯；
注液：在卷繞的極片中加入電解液；
封裝：焊接正負極片，蓋帽等；
電芯烘烤：除水，水分影響電池性能。
激活檢測
檢測：短路檢測，殼體缺陷檢測，容量、內阻、內壓、自放電、安全性能、循環性能檢測等；
化成：首次充電激活電池；
分容：將電池進行一致性篩分，一致性差的電池一起使用對電池損害較大。
