簡述鋰離子電池的工作原理

很多人的誤解是鋰離子電池中含有金屬鋰，其實(shí)它只是一種鋰離子化合物，在充電時正極分解鋰離子，電池的負(fù)極是碳。鋰離子從正極化合物中嵌入和釋放的過程是電池充放電的過程。一般人們用嵌入表示充電，用放電器表示放電。鋰離子在正極和負(fù)極之間來回插入和拔出的過程就是充放電的過程。因此，鋰離子電池也被稱為搖椅電池。

鋰離子電池充電:充電的過程是鋰離子出現(xiàn)和運(yùn)動的過程，電池正極化合物出現(xiàn)大量的鋰離子，經(jīng)過電解液，鋰離子從正極運(yùn)動到負(fù)極。鋰離子電池的正極是由碳材料構(gòu)成的，達(dá)到負(fù)極的鋰離子會被嵌入到碳材料的孔中，碳材料可以容納更多的鋰離子，電池可以容納的能量越大，也就是常說的容量(mAh)。

鋰離子電池放電:放電過程與充電過程相反，鋰離子從負(fù)極的碳材料孔中，返回正極。鋰離子返回正極的數(shù)量越多，電池使用的就越多，剩余的就越少。

鋰離子電池的電解質(zhì)是電解質(zhì)與電池中電極材料之間的相互用途。分解反應(yīng)存在于電解液本身，它幾乎參與了電池中發(fā)生的所有反應(yīng)過程。目前，鋰離子電池中含有的電解質(zhì)多為有機(jī)體系。在過充、過放、短路、熱休克等濫用的情況下，電池溫度迅速升高，電解液一般易燃，經(jīng)常導(dǎo)致電池起火甚至爆炸。目前，高容量動態(tài)鋰離子電池商業(yè)化的最大障礙是安全問題。因此，選擇合適的電解質(zhì)體系也是鋰二次電池獲得高能量、長循環(huán)壽命和安全性能的關(guān)鍵之一。

電解質(zhì)是電池的重要組成部分，它可以運(yùn)輸離子并在正極和負(fù)極之間傳導(dǎo)電流。鋰離子電池電解質(zhì)按其相態(tài)可分為液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)和熔鹽電解質(zhì)。從鋰離子電池傳質(zhì)實(shí)際要求出發(fā)，電解質(zhì)必須滿足以下基本要求:

(1)離子電導(dǎo)率:電解質(zhì)不具有電子電導(dǎo)率，但必須具有良好的離子電導(dǎo)率。在一般溫度范圍內(nèi)，電解質(zhì)的電導(dǎo)率在1×10-3~2×10-3s/cm之間。

(2)離子遷移數(shù):電池中的電荷遷移依賴于離子遷移。較高的離子遷移數(shù)可以降低電極反應(yīng)的濃差極化，使電池出現(xiàn)較高的能量密度和功率密度。鋰離子的理想遷移數(shù)應(yīng)盡可能接近1。

(3)穩(wěn)定性:當(dāng)電解液與電極直接接觸時，盡量防止副反應(yīng)的發(fā)生，這就要求電解液具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

(4)機(jī)械強(qiáng)度:電解液要有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度來滿足電池的大批量生產(chǎn)和包裝工藝。Li等將磷酸三甲酯(TMP)作為高壓電解液添加劑，以Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2作為電池的正極并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，電解液中加入1%TMP，可以顯著提高電池的性能和循環(huán)性能。

為了防止傳統(tǒng)鋰離子電池存在的泄漏、易燃性、爆炸等安全問題，鋰二次電池電解液體系向固態(tài)發(fā)展。固體電解質(zhì)，也被稱為快速離子導(dǎo)體，要高離子導(dǎo)電性、低電子導(dǎo)電性和低活化能?？茖W(xué)家們研究的固體電解質(zhì)包括無機(jī)固體電解質(zhì)、固體聚合物電解質(zhì)、固液復(fù)合電解質(zhì)等。在無機(jī)固體電解質(zhì)中，Li+處于流動動力學(xué)狀態(tài)，并通過電解質(zhì)中的孔洞和/或間隙位置進(jìn)行遷移。