鋰電池的構成及應用

任璐

隨著社會的進步，電池被廣泛的使用，對比各種材料的電池，鋰電池性能最好。鋰電池的主要成分為鋰，金屬 Li 是一種常見金屬，性能非常活潑，是元素周期表金屬中原子量最小（6.94）、比重量小（0.534g·cm-3，20℃）、電化學當量最小（0.26g·（A·h）-1）、標準電極電位最負（-3.045V）的金屬。用它來作電池性能要優于以往的鉛酸電池、鎳鉛電池等。主要表現在安全性能好、功率及能量密度大，使用壽命長等方面。

1 鋰電池的工作原理

在電壓及負荷的綜合作用下，Li+離子可以從正極材料或者負極材料中脫出。當Li+離子材料由一個電極通過電解液運動到另一個電極時，根據電荷守恒原理：電極材料中的電子將按照相反的方向運動，從而形成電流。當充電時，Li+離子材料從正極運動到負極；當放電時，Li+離子材料從負極運動到正極，此過程伴隨著氧化還原反應。一下為鈷酸鋰電池的電化學反應式。

2 鋰電池的構成

人類最早發明鉛酸電池，之后發明了鎳鎘電池、燃料電池以及鋰電池等，一百多年來，雖然電池的材料一直在變化，但是基本結構卻沒有大的改變。例如：鉛酸電池主要是由正極、負極、電解質和隔板四個部分組成，而鋰電池同樣也是由這四部分組成。

2.1 正極材料

鋰電池作為二次電池，要求其循環壽命長。一般達到1000次以上的充放電循環。什么正極材料能讓Li+離子較為容易地嵌入和脫出？嵌入式化合物比較適合作為鋰電池正極材料。迄今為止，成功的嵌入式化合物均為過渡金屬氧化物，比如磷酸鐵鋰，錳酸鋰和三元鋰。當Li+離子在正極材料中嵌入和脫出時，正極材料內部結構的穩定性至關重要。目前常見的正極材料主要有三種結構類型，分別是層狀結構、尖晶石結構及橄欖石。

2.2 負極材料：

鋰電池的負極材料主要有三種：石墨材料、氧化物材料和金屬材料。金屬鋰是科學家最先研究的負極材料。其比容量密度很大，放電時性能優良，但是充電時，負極表面會形成鋰金屬結晶，結晶不斷地長大形成枝晶，枝晶不斷蔓延至正極，并最終導致短路。隨后科學家開始研究石墨材料，由于石墨材料具有完整的層狀結構，使得鋰離子的脫嵌比較容易，并能與鋰形成鋰——石墨層間化合物，是一種比較理想的負極材料，目前大部分鋰電池均在采用。除去石墨材料之外，還有氧化物負極材料，包括金屬氧化物、金屬基復合氧化物和其他氧化物。理論上這種負極材料有較高的比容量，但因從氧化物中置換金屬單質消耗了大量鋰而導致活性物質損失，鈦酸鋰具有尖晶石結構可以克服以上缺點，并且具有非常好的耐過充、過放特征。且自身結構不會受到充放電影響。電池循環壽命在3000次以上。目前在大型客車上有應用。

2.3 電解質

電解質從本質上講是一種媒介，讓正負極交換活性物質，電解質本身不與任何物質發生化學反應。目前鋰電池上常用的電解質材料為液態，主要成分為LiFSI，用六氟磷酸鋰制成的鋰電池性能好，壽命長，無爆炸危險，適用性強且環境友好。

2.4 隔膜

在鋰電池的正極和負極之間需要有一層隔膜來防止正負極短路。隔膜除了能使正負極隔絕外還要方便鋰離子在兩極之間運動。隔膜越薄，單位鋰電池所能儲存的能量就越多，能量密度就越大；隔膜越輕，單位鋰電池的重量就越輕。優質隔膜材料不僅能使鋰電池變得更輕薄，而且還能使鋰電池內阻變得更小。目前，隔膜工藝已經達到10微米級別。制膜工藝分為干法和濕法兩種，我國已經掌握干法制膜工藝，隔膜厚度為20-40微米，而日本旭化成公司掌握的濕法制膜工藝可量產6-7微米隔膜，為世界頂尖水平。干法隔膜由于厚度較厚，用于生產體積功率較小的鋰電池，而濕法制膜由于工藝先進，厚度薄，可以用來制造體積大功率高的鋰電池。

科學技術日新月異地發展，生活中已經離不開電池。鋰電池由于其優異的性能，在所有電池中傲視群雄，但由于價格原因，鋰電池還不能完全取代其他的電池，比如，18650鋰電池的價格是同類型堿性電池價格的10倍。但是鋰電池在一些高端產品上使用得越來越普遍，比如說手機，筆記本電腦，攝像機等設備，相信隨著時間的推移，鋰電池的價格會越來越便宜，能量密度會越來越大。未來在純電動汽車上，鋰電池將大有可為！

（作者單位：長江工程職業技術學院）