锂离子电池的诞生及其原理

锂离子电池的诞生及其原理 任何事物的诞生都有一定的背景，锂离子电池的产生同样也离不开这一点。20世纪60-70年代发生的石油危机迫使人们去寻找新的替代能源，由于金属锂在所有金属中最轻、氧化还原电位最低、质最能量密度最大，因此锂电池成为了替代能源之一。在20世纪70年代现，锂原电池的商品化，锂原电池的种类比较多（见表1-1）．其中常见的为Li//MnO2、Li//CFx(x<1)、Li//SOCl2。前两者主要是民用，后者主要是用，与一般的原电池相比它具有以下明显的优点。

锂离子电池的优势

①电压高传统的干电池一般为1.5V而锂原电池则可高达3.9V以上。②比能量高，为传统锌负极电池的2～5倍。⑧工作温度范闱宽，锂原电池一般能在-40-70度下工作，④比功率大．可以大电流放电，⑤放电平稳，大多数锂一次电池具有平稳的放电曲线。

⑥储存时间长，预期可达10年。

锂离子电池的研究

因此在锂原电池的推动下，人们几乎在研究锂原电池的同时就开始可充放电锂二次电池的研究。随着人口的日益增加，截至2006年2月25日，全球人口已经达到了65亿，估计到2012年10月18日将达到70亿，而地球资源有限，因此迫使人们提高对资源的利用率，而采用充电电池是有效途径之一，从而推动了锂二次电池的研究和发展。随着人们环保意识的日益增强，铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制，因此需要寻找新的可替代传统铅酸电池和镍镉电池的可充电电池。锂二次电池自然成为有力的候选者之。电子技术的不断发展推动了各种电子产品向小型化发展，如便携电话、微型相机、笔记本电脑等的推广普及，而小型化发展必须伴随着电源的小型化。传统铅酸电池等的容量不高，因此也必须寻找新的电池体系。锂原电他的优点使锂二次电池成为强有力的候选者。

锂离子电池的成长

在20世纪80年代未以前，人们主要集中在阻金属锂及极其合金为负极的锂二次电池体系。但是在充电的时候，由于金属锂电极表现的不均匀（凹凸不平）导数表而电位分布不均匀，从而造成锂不均匀沉积。该不均匀沉积过程导致锂在一些部位沉积过快，产生树枝一样的结晶（枝晶）。当枝晶发展到一定程度时，一方面会发生折断，产生‘死锂”造成小可逆的锂；另一方面更严重的是，枝晶穿过隔膜，将正极与负极连接起来，结果产生短路，生成大量的热，使电池着火，甚至发生爆炸，从而带来严重的安全隐患。其中具有代表性的是20世纪70年代末Exxon公司研究的L i//TiS2体系。尽管Exxon公司未能将该锂二次电池体系实现商品化，但是它大大推动了锂二次电池的研究和发展。后来加拿大成立MoLi公司该公司的正极材料为MoS2．负极为金属锂，尽管该公司初期取得良好的经济教益，但是1989年的起爆炸事件导致该公司破产，后来被日本企业收购。这些公司之所以没有能够取得根本性的市场胜利，是由于没有根本解决以金属锂或其合金为负极的锂二次电池的循环寿命和安全问题，因为①如上所述，在充电过程中，锂的表而水司能非常均匀，因此不可能从根本上解决枝晶的生长问题，从而不能从根本解决安全陷患；②金属锂比较活泼，很容易与非水液体电解质发生反应，产生高压，造成危险。

锂离子电池逐渐成型

1980年，Goodenough等提出以氧化钴锂(LiCoO2 )为正极材料的锂充电电池，揭开锂离子电池的雏形。1985年发现碳材料可以作为锂充电电池的负极材料，发明了锂离子电池1986年完成了锂离子电池的原形设计，20世纪80年代末、90年代初。MOIi公司和Sony公司发现用具有石墨结构的碳材料取代金属锂负极，正极则采用锂与过渡金属的复合氧化物如氧化钴锂(LiCoO2)。这样构成的充电电池体系可以成功地解缺以金属锂或其合金为负极的锂二次电池存在的安全隐患，并且在能量密度上高于以前的充放电电池。同时由于金属锂与石墨化碳材料形成的插入化合物( intercalation compound) LiC6的电位与金属锂的电位相差小到0.5V。电压损失不大。在充电过程中，锂插入到石墨的层状结构中，放电时从层状结构中跑，该过程可逆性很好，组成的锂二次电池体系循环性能非常优良。另外，碳材料便宜，没有毒性，目处于放电状忐“在空气中比较稳定避免活泼金属锂的使爪和枝晶的产生，明显改善了循环寿命从根本上解决了安全问题。因此在1991年，该一次电池就实现了商品化。

锂离子电池的命名

按照经典的电化学命名规则，充电电池的命名应该是正极在前、负极在后，这样该电池体系应该命名为“氧化钻锂-石墨充电电池”。但是这对于普通老白姓而言，不容易记，因此应该有个简单的名字。由于充放电过程是通过锂离子的移动实玑的，日本人便蚍此为理由，命名为“lithium ion battcrv”，因此我国便将其称为“锂离子电池”。对于该电池体系的命名而言，不应该求全责备，因为单从名字上不可能对其性质有所了解，但是该命名从另外一种意义上反映了知识的原刨性。在中国，电池界和普通老百姓更是将“锂离于电池”简称为“锂电”。 锂离子电池的充放电原理（以石墨为负极、层状复合氧化物为正极为例）也可以简示如图1-1。

上市采用过程

在正极中(以LiCoOo2为例），Li+和Co3+各自位于立方紧密堆积氧层中交替的八面体位置，充电时，锂离子从八面体位置发生脱嵌，释放 一个电子。Co3+氧化为Co4+；放电刊，锂离于嵌入到八面体位置，得到个电子。Co4+还原为Co3+。而在负极中，锂插入到石墨结构中后，石墨结构与此同刚得到 一个电子，电子位于石墨的墨片（graphene）分子平面上，与锂离子之间发生一定的静电作用，因此锂在负极中的原子大小比在正极中要大，在多种有关锂离子电池工作原理示意图中，图1-1也可以作为一个比较客观的简单示意图：在“锂离子电池”命名以前，也有人将该种类型的锂二次电池称为‘摇椅电池”认为锂在正极和负极之间来回摆动，事实上，该称呼只是一种形象的说明，而不是真实的反映，因此该称呼在1994年以后就基本上市采用了。

锂离子的种类多，选择的时候要有察觉

锂二次电池的容量以及体系结构的掌握