鉅大LARGE | 點擊量：2675次 | 2021年04月23日
鋰離子電池工作原理及其制造方法介紹
鋰離子電池體系是由日本Asahi（朝日化學(xué)制品公司）在20世紀(jì)80年代初開始研究和開發(fā)的，并由Sony（索尼公司）于1990年將其商業(yè)化。鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高、工作溫度寬、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好等特點。鋰離子電池是由正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜等構(gòu)成的。正負(fù)極材料通常是由可發(fā)生可逆鋰離子脫嵌或者氧化還原反應(yīng)的活性物質(zhì)組成。正負(fù)極材料的種類對電池的容量和能量密度起決定性用途。其中鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料和磷酸鹽類材料是目前市場上重要的商業(yè)化正極材料；而石墨、金屬及其氧化物、鈦酸鋰以及硅負(fù)極是重要使用的負(fù)極材料；作為維持在電池內(nèi)部正負(fù)極之間鋰離子的遷移與擴(kuò)散的橋梁，電解液通常是由含鋰鹽化合物與有機(jī)碳酸酯溶劑混合組成，現(xiàn)階段重要以液態(tài)電解液為主；隔膜重要由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）微孔膜和纖維膜組成，其用途放在正負(fù)極之間防止正負(fù)極直接接觸，導(dǎo)致短路，同時禁止電子通過而允許鋰離子通過。近些年來，鋰離子電池常被設(shè)計成紐扣型、圓柱型、方型和平板型等多種形狀以滿足不同的市場應(yīng)用需求，如圖1所示。
1.2鋰離子電池工作原理
圖2是以過渡金屬氧化物（LiTMO2）/石墨（C）組成的鋰離子電池的工作原理示意圖。充電時，在外電壓的用途下，正極材料LiTMO2中的鋰離子脫出形成Li1-xTMO2且鋰離子經(jīng)由電解液向負(fù)極遷移擴(kuò)散并嵌入負(fù)極表面或體相中形成嵌鋰化合物L(fēng)iCx，而電子則經(jīng)由外電路向負(fù)極遷移構(gòu)成回路并形成電流，這就實現(xiàn)了能量的存儲。放電過程則是充電過程的逆反應(yīng)，鋰離子從LiCx嵌鋰化合物中脫出并同時釋放電子，鋰離子通過內(nèi)電路（或電解質(zhì)）從負(fù)極擴(kuò)散到正極中以維持電荷平衡，然后通過組合電子與Li1-xTMO2脫鋰正極材料反應(yīng)再次形成LiTMO2，最后實現(xiàn)釋放的能量。因此可以得出結(jié)論，鋰離子電池的充放電過程就是正負(fù)極材料可逆的氧化還原過程，且鋰離子電池整體性能取決于正負(fù)極材料鋰離子脫出或嵌入數(shù)目的能力，鋰離子脫嵌能力較差的正負(fù)極材料會出現(xiàn)不可逆容量損失，造成容量衰減，性能下降。
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鋰離子電池的制造工藝
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
從上面的介紹可以看出，鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、包裝材料等組成。鋰離子電池的制造過程就是將上述材料按照一定的工藝流程將其組裝在一起。典型的鋰離子電池制造工藝流程包括攪拌、涂布、輥壓、分條制片、組裝、注液、化成、老化、分容、檢測等工序。圖3為聚合物鋰離子電池制造流程。
2.1攪拌涂布
攪拌就是按照一定的配方將正（負(fù)）極粉末、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和溶劑經(jīng)過高速攪拌均勻后，形成漿料。其中導(dǎo)電劑重要有炭黑、乙炔黑、碳納米管、石墨烯等；常用的正極粘結(jié)劑為為聚四氟乙烯（PVDF），溶劑為N-甲基吡咯烷酮；常用的負(fù)極粘結(jié)劑為羧甲基纖維素（CMC）和丁苯橡膠（SBR）混用，溶劑為去離子水。常用的高速攪拌設(shè)備為雙行星攪拌機(jī)。
然后將上述正極（負(fù)極）漿料按照一定的面密度均勻涂覆在金屬箔材上，烘烤干燥之后得到極片。正極使用的箔材為鋁箔，負(fù)極使用的箔材為銅箔。常用的涂布設(shè)備為擠壓式涂布機(jī)、刮板式涂布機(jī)或噴涂式涂布機(jī)。
2.2組裝
將涂布好的極片進(jìn)行輥壓，一方面使得正極（負(fù)極）材料與導(dǎo)電劑等緊密接觸，另一方面使極片達(dá)到規(guī)定的厚度以保證電池的能量密度，同時使得極片表面光滑。常用的輥壓設(shè)備為輥壓機(jī)。將輥壓好的正極（負(fù)極）極片按照設(shè)計的寬度進(jìn)行分切、點焊極耳、貼膠紙等，就得到正極（負(fù)極）小片，然后在正極小片和負(fù)極小片之間放入隔膜，并卷繞成卷芯，最后將卷芯放入包裝殼中，經(jīng)過真空干燥除水之后，并注入電解液，封口，就得到了鋰離子電芯。
2.3化成分容
剛組裝好的電芯是沒有電的，必須經(jīng)過充電激活才能使用。鋰離子電池的首次充電叫做化成，其用途是激活電芯中的活性材料，一般情況下首次充電采用較小的電流，以在負(fù)極材料表面形成良好的SEI膜，以保證電池的電化學(xué)性能和循環(huán)壽命?；芍?，進(jìn)行老化、分容、自放電測試等工序就可以得到鋰離子電池。
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鋰離子電池的應(yīng)用
鋰離子電池具有高能量密度、循環(huán)壽命長、自放電低等優(yōu)點，是目前能量儲存和轉(zhuǎn)換的理想裝置之一。目前已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、消費類電子產(chǎn)品、電動自行車、電動工具、純電動汽車、混合動力汽車、無人機(jī)、移動基站、大型儲能電站、特種等諸多領(lǐng)域中。
目前鋰離子電池的最大的應(yīng)用市場之一就是純電動汽車。圖4特斯拉汽車上的汽車動力鋰電池的示意圖，目前TeslaModel3使用的是日本松下生產(chǎn)的21700電芯組成的電池組。標(biāo)準(zhǔn)版的Model3的續(xù)航里程為350km，電池組容量為50kWh，使用2976節(jié)21700電芯，每31節(jié)電芯構(gòu)成一個電池磚。這些電池磚又被分為4個模塊，其中2組包含23個電池磚的模塊，2組包含25個電池磚的模塊。
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