锂电池结构与工作原理揭示与解析-现代车辆新能源技术

锂电池即分别用2个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作正负极构成的二次电池。锂电池靠锂离子在正负极之间的转移来完成充放电工作，因此又被形象地称为“摇椅式电池”，俗称锂电。图7-2-1所示为锂电池原理图。图7-2-2所示为锂离子充放电过程。

锂电池在原理上实际是一种锂离子浓差电池，正、负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。通过Li⁺在正负极间的往返嵌入和脱嵌，形成电池的充电和放电过程。从充放电的可逆性看，锂电池反应是一种理想的可逆反应。锂电池的电极反应表达式如下。

正极反应式：

LiMO₂→Li_1-xMO₂+xLi⁺+xe （7-2-1）

负极反应式：

nC+xLi⁺+xe→Li_xC_n （7-2-2）

电池反应式：

LiMO₂+nC→Li_1-xMO₂+Li_xC_n （7-2-3）

式中，M——Co、Ni、W、Mn等金属元素。

图7-2-1 锂电池原理图

图7-2-2 锂电池充放电过程(www.xing528.com)

锂电池的工作原理主要包括以下方面：

1）充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态。一般选择相对锂而言，电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物作正极，如Li_xCoO₂、Li_xNiO₂、Li_xMn₂O₄。

2）作为负极的材料选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种锂碳层间化合物Li_xC₆，包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等，以及金属氧化物，包括S_nO、S_nO₂、锡复合氧化物S_nB_xP_yO_z等。

3）电解质采用LiPF₆的乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低黏度二乙基碳酸酯（DEC）等烷基碳酸酯搭配的混合溶剂体系。

4）充电过程中，Li⁺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，保持负极的电平衡。

5）放电过程相反，Li⁺从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。

6）隔膜采用聚烯微多孔膜，如PE、PP或它们的复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，还具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险的作用。

7）外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。

随着移动电子设备的迅速发展和能源需求的不断增大，人们对锂电池的需求也越来越多。锂电池具有容量高、电压适中、来源广泛以及其循环寿命长、成本低、无环境污染等特点，这使它不仅可应用于移动通信工具，还可成为电动车辆的动力电源。锂电池的使用类别见表7-2-2。

表7-2-2 锂电池的使用类别