如何优化锂离子电池的工作原理？

锂离子电池目前有液态锂离子电池（UB）和聚合物锂离子电池（PLIB）两类。其中，液态锂离子电池是指以Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂离子化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物LixC6，电解质为溶解有锂盐的LiPF6、Li-AsF6等有机溶剂。

（一）基本原理

聚合物锂电池的正极和负极与液态锂离子电池相同，只是原来的液态电解质改为含有锂盐的凝胶聚合物电解质，而目前主要开发应用的就是这种。

当锂离子电池工作时，它的电化学表达式为：

正极：

或：

负极：

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，正负两极由两种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，保证了负极的电荷平衡；放电时则相反，从负极脱嵌，经电解质嵌入正极（这种循环被形象地称为摇椅式机制）。在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物层间嵌入嵌出。因为过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2中低自旋配合物多、晶格体积小，在锂离子嵌入脱嵌时，晶格膨胀收缩性小、结晶结构稳定，因此循环性能好。而且充放电过程中，负极材料化学结构基本不变。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过程。

（二）正极材料选择

锂离子电池正极材料一般为嵌入化合物作为理想的正极材料，锂嵌入化合物应具有以下性能：

1.金属离子在嵌入化合物中应有较高的氧化还原电位，从而使电池的输出电压高；

2.在嵌入化合物中大量的锂能够发生可逆嵌入和脱嵌以得到高容量，即x值尽可能大；

3.在整个嵌入和脱嵌过程中，锂的嵌入和脱嵌应可逆且主体结构没有或很少发生变化，这样可确保良好的循环性能；

4.氧化还原电位随x的变化应该尽可能少，这样电池的电压不会发生显著变化，可保持较平稳的充电和放电；

5.嵌入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率，这样可减少极化，并能进行大电流充放电；

6.嵌入化合物应在整个电压范围内化学稳定性好，不与电解质等发生反应；

7.锂离子在电极材料中有较大的扩散系数，便于快速充放电；

8.从实用角度而言，嵌入化合物应该便宜，对环境无污染等。

作为锂离子正极材料的氧化物，常见的有氧化钴锂（lithium cobah oxide）、氧化镍锂（lith-ium nickel oxide）、氧化锰锂（lithium manganese oxide）和钒的氧化物（vanadium oxide）。对其他正极材料如铁的氧化物、其他金属的氧化物、5V正极材料以及多阴离子正极材料（比如磷酸亚铁锂）等也进行了研究。在这几种正极材料的原材料中，钴最贵，其次为镍，最便宜的为锰和钒。因此，正极材料的价格基本上也与该行情一致，这些正极材料的结构主要是层状结构和尖晶石结构。

（三）负权材料逸择

自从锂离子电池诞生以来，研究的有关负极材料主要有以下几种：石墨化碳材料、无定形碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金、纳米氧化物和其他材料。作为锂离子电池负极材料要求具有以下性能：(www.xing528.com)

1.锂离子在负极基极中的插入氧化还原电位应尽可能低，接近金属锂的电位，从而使电池的输出电压高；

2.在基体中大量的锂能够发生可逆插入和脱插以得到高容量密度，即锂离子在固相的扩散系数大，在电极-电解液界面的移动阻抗小；

3.在整个插入/脱插过程中，锂的插入和脱插应可逆且主体结构没有或很少发生变化，这样可确保良好的循环性能；

4.氧化还原电位随x的变化应该尽可能少，这样电池的电压不会发生显著变化，可保持较平衡的充电和放电；

5.插入化合物应有较好的电子电导率和离子电导率，这样可减少极化并能进行大电流充放电；

6.主体材料具有良好的表面结构，能够与液体电解质形成良好的SEI（Solid Electrolyte Interface）膜；

7.插入化合物在整个电压范围内具有良好的化学稳定性，在形成SEI膜后不与电解质等发生反应；

8.锂离子在主体材料中有较大的扩散系数，便于快速充电；

9.从实用角度而言，主体材料应该便宜，对环境无污染等。

负极材料的选择对电池的性能也有很大的影响。而最常用的是石墨电极，因为石墨导电性好，结晶度较高，具有良好的层状结构，适合锂的嵌入-脱嵌，而它的插锂电位低且平坦，可为锂离子电池提供高的平稳的工作电压。

（四）电解液

对有机电解液而言，要求：

1.离子电导率高；

2.电化学稳定的电位范围宽：必须有0～5V的电化学稳定窗口；

3.热稳定性好，使用温度范围宽；

4.化学性能稳定，与电池内集电流体和活性物质不发生化学反应；

5.安全低毒，最好能生物降解。

对高电压下不分解的有机溶剂和电解质的研究是锂离子电池开发的关键。由于水理论分解电位只有1.23V，即使考虑氢或氧的过电位，以水为溶剂的电解液体系电池电压最高也只有2V左右（如铅酸电池），而锂离子电池电压高达3～4V，传统水溶液体系显然已经不再适应电池需要，所以必须采用非水电解液体系作为锂离子电池的电解液。而锂离子电池用的电解液电导率一般只有铅酸电池或碱性电池电导率的几百分之一，故电解液的研究成为锂离子电池开发的关键。

目前适合做锂离子电池导电盐的仅有LiBF4、LiPF6、LiAsF6等几种，而一些有机阴离子锂盐，如LiCF3SO3等有可能成为新一代电解质，但目前尚未进入应用阶段。并且锂离子电池也需要隔膜，使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外隔膜还具有能使电解质离子通过的性能，隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对电池性能有很大影响，对锂离子电池系列，需要耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。

由于使用电导率低的有机电解液，因而要求电极面积大，而且电池装配已采用卷式结构，电池性能的提高不仅对电极材料提出了新的要求，而且对电极制造过程中使用的粘接剂也提出了新要求。