锂离子电池的工作原理
锂离子电池的工作原理
锂离子电池是现代高性能电池的代表，广泛应用于手机、笔记本电脑等电子产品中。本文将为您详细介绍锂离子电池的工作原理、组成结构、制作工艺以及安全使用注意事项，帮助您深入了解这一重要技术。
锂离子电池概述
锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。
锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功。它是把锂离子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成负极(传统锂电池用锂或锂合金作负极)。正极材料常用LixCoO2，也用LixNiO2，和LixMnO4，电解液用LiPF6＋二乙烯碳酸酯(EC)＋二甲基碳酸酯(DMC)。
石油焦炭和石墨作负极材料无毒，且资源充足，锂离子嵌入碳中，克服了锂的高活性，解决了传统锂电池存在的安全问题，正极LixCoO2在充、放电性能和寿命上均能达到较高水平，使成本降低，总之锂离子电池的综合性能提高了。预计21世纪锂离子电池将会占有很大的市场。
锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li＋在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li＋从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
锂离子电池的组成结构
锂离子电池主要由以下部分组成：
正极：活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂(俗称三元)或者三元＋少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10－－20微米的电解铝箔。
隔膜：一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。
负极：活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7－15微米的电解铜箔。
有机电解液：溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。
电池外壳：分为钢壳(方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。
制作工艺
锂电池的正极材料有钴酸锂LiCoO2、三元材料Ni＋Mn＋Co、锰酸锂LiMn2O4加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。
制浆：用专门的溶剂和粘结剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。
涂膜：通过自动涂布机将正负极浆料分别均匀地涂覆在金属箔表面，经自动烘干后自动剪切制成正负极极片。
装配：按正极片—隔膜—负极片—隔膜自上而下的顺序经卷绕注入电解液、封口、正负极耳焊接等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。
化成：将成品电池放置测试柜进行充放电测试，筛选出合格的成品电池，待出厂。
锂离子电池的工作原理
锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。
当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。
一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。
以磷酸亚铁锂为例，其放电和充电时的电极反应分别为：
正极反应：
充电时锂离子脱嵌：LiFePO4→Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe-
放电时锂离子嵌入：Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe-→LiFePO4
负极反应：
充电时锂离子插入：xLi＋＋xe-＋ 6C →LixC6
放电时锂离子脱插：LixC6→xLi＋＋xe-＋ 6C
以钴酸锂作为正极材料的锂离子电池，其充电和放电的电极反应为：
充电时的反应式:LiCoO2＋C→Li1－xCoO2＋LixC
放电时的反应式为：Li1－xCoO2＋LixC→LiCoO2＋C
事实上，正极材料中的CoO2－和FePO4－在电池中作为类似“骨架”而使得Li＋得以在其中自由的移动，负极材料的石墨碳能够亲和Li＋而使得Li的活性变得温和而持续。
锂离子手机电池爆炸的原因分析
电池充电时发生爆炸的主要原因有两个，一是过热，二是短路。而短路形成的主要原因是电池的隔膜过薄或质量存在问题，在充电时形成的金属锂形成结晶刺破隔膜导致短路。所以使用手机时应该注意以下问题：
防摔：手机摔落可以改变电池的内部机械或化学结构。这些变化可能导致任何故障安全电路在极端压力条件下发生故障。
避免过热：虽然电池中可能存在保护措施以确保其散热，或者在过热时关闭，但首先要保持电池远离温度限制。防止过热的方法是，避免长时间使用，并且不要暴晒电池或讲电池至于温度较高的环境中。
使用安全的充电器：一定要使用电池生产厂提供的充电器。过高的充电电压、过高的充电电流都会造成电池的损害。
防水：电池掉入水中是很危险的，一定要注意避免。