鉅大LARGE | 點擊量：894次 | 2019年02月14日
鋰離子電池全解析
鋰電池即鋰金屬電池，一般是指使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。放電反應為：Li+MnO2=LiMnO2。然而，通常金屬態(tài)的鋰非?；顫?，會與電解質(zhì)產(chǎn)生不良反應，導致電解質(zhì)過熱，甚至導致燃燒。由于金屬鋰的安全問題尚未完全突破，目前商用化的鋰系電池均為鋰離子電池。
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），主要依靠鋰離子在正負極之間的往返嵌入和脫嵌來工作，實現(xiàn)能量的存儲和釋放。
以鈷酸鋰正極、石墨負極系鋰離子電池為例：充電時，在外加電場的作用下，正極材料LiCoO2分子中的鋰元素脫離出來，成為帶正電荷的鋰離子Li+，從正極移動到負極，與負極的碳原子發(fā)生化學反應，生成LiC6，從而“穩(wěn)定”的嵌入到層狀石墨負極中。放電時相反，內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，Li+從負極脫嵌，順電場方向，回到正極，重新成為鈷酸鋰分子LiCoO2，這樣的工作原理被形象的稱為“搖椅電池”。參與往返嵌入和脫嵌的鋰離子越多，電池可存儲能量越大。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
LiCoO2/C系鋰離子電池工作原理
LiCoO2/C系鋰離子電池充放電反應式
鋰離子電池結(jié)構(gòu)與材料
鋰離子電池有著能適應不同應用場景的各種形狀和構(gòu)造，其主要構(gòu)成均為正極、負極、隔膜、電解液及外殼。
鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖：
a.圓柱型鋰離子電池
b.方型鋰離子電池
c.紐扣鋰離子電池
d.薄膜鋰離子電池
(圖片出處：JM,ArmandM.Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries[J].Nature,2001,414(6861):359-367.)
正極
為了實現(xiàn)上述能量存儲與釋放的功能，正極材料需要有穩(wěn)定的電化學性能，不易分解的結(jié)構(gòu)，較高的氧化還原電位和越高越好的比容量，經(jīng)過產(chǎn)學界長期的研究和探索，現(xiàn)已付諸商用的正極材料有：磷酸鐵鋰（LFP）、鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）以及三元材料：鎳鈷錳酸鋰（NCM）、鎳錳鋁酸鋰（NCA）等。正極材料占鋰離子電池成本30%--40%，直接影響鋰離子電池的能量密度和性能。
磷酸鐵鋰
圖注：其穩(wěn)定的橄欖石結(jié)構(gòu)，有助于在充放電即鋰離子的脫出與嵌入過程中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，不出現(xiàn)晶格坍塌。
（圖片來源：Chem.Mater.,Vol.22,No.3,2010）
在實際應用中，完整的鋰離子電池正極結(jié)構(gòu)除上述活性物質(zhì)嵌鋰化合物外還包括導電劑、粘結(jié)劑和集流體。粘結(jié)劑將上述正極材料“固定”在正極基帶上，導電劑增強活性物質(zhì)與基體的電導率，以達到更大的充放電電流，集流體負責充當電池內(nèi)外部的電荷轉(zhuǎn)移橋梁。
負極
負極材料需由相對于鋰電極電勢更低的材料構(gòu)成，并具有高比容量和較好的充放電可逆性，從而在嵌鋰的過程中保持良好的尺寸和機械穩(wěn)定性。
目前商用負極活性物質(zhì)以碳材料石墨類為主。然而，常規(guī)石墨負極材料的容量和倍率性能已經(jīng)難以滿足鋰離子電池下游產(chǎn)品的需求。硅-碳(Si-C)復合材料為代表的新型高容量負極材料是未來發(fā)展趨勢。
負極的結(jié)構(gòu)與正極基本相同，使用粘結(jié)劑來固定活性物質(zhì)，使用銅箔作為基體和集流體來充當電流的導體，由于石墨本身具有良好導電性，一般無需添加導電劑材料。
電解液
電解液在正負電極間起到運輸電荷的作用，它影響著鋰離子電池的能量密度、功率密度、寬溫應用、循環(huán)壽命、安全性能等因素。理想的電解液應具有高的離子電導率，寬的電化學穩(wěn)定窗口（0-5V）不與集流體和恬性物質(zhì)發(fā)生化學反應，和好的熱穩(wěn)定性以實現(xiàn)更大的工作溫度范圍，且安全、無毒、無污染。
基于這些原則，經(jīng)過長期的工程探索，人們找到了由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、和必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的電解液。
隔膜
我們希望電池的存儲能量盡可能多而體積盡可能小，于是正負極之間的距離越來越小，短路成為一個巨大的風險。為了防止正負極材料短路，造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負極“隔離”開來，這就是隔膜的由來。
隔膜的孔徑需滿足良好的離子通過性，吸液保濕能力強，保持離子導電性；同時具有電子絕緣性，以實現(xiàn)正負極之間絕緣的機械隔離，此外應有足夠的穿刺強度、拉伸強度等力學性能及耐腐蝕性和足夠的電化學穩(wěn)定性。目前市場上的隔膜主要采用聚烯微多孔膜如PE、PP或其復合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。
除了以上材料外，一個完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體（鋁，鋼，復合膜等），以及其他輔助材料。
鋰離子電池制作工藝
鋰離子電池的制備工藝包括：電極制片電芯裝配激活檢測PACK電池組裝。
電極制片
極片是電池結(jié)構(gòu)中最核心的部分，直接影響電池性能。
極片制作要求粒度分布均勻、極片涂布均勻、分切后極片無毛刺，無變形，無粉塵影響、以及高效節(jié)能、自動化的生產(chǎn)技術(shù)。
電芯裝配
卷繞/疊片：極片卷繞/疊片為電芯；
注液：在卷繞的極片中加入電解液；
封裝：焊接正負極片，蓋帽等；
電芯烘烤：除水，水分影響電池性能。
激活檢測
檢測：短路檢測，殼體缺陷檢測，容量、內(nèi)阻、內(nèi)壓、自放電、安全性能、循環(huán)性能檢測等；
化成：首次充電激活電池；
分容：將電池進行一致性篩分，一致性差的電池一起使用對電池損害較大。
