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      如何認識鋰離子電池的工作原理?鋰電池工作原理

      作者:佚名    文章來源:本站原創    點擊數:    更新時間:2023/9/4

      鋰離子電池(如圖 2-3 所示)是指采用可以可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的變價金屬化合物做為正極、采用可以可逆地插入與脫插鋰離子的材料做為負極,從而通過鋰離子在正負極之間的遷移來工作的二次電池。由于電池充電與放電時,鋰離子是在正、負極間進行交換,故鋰離子電池又稱為 搖椅式電池。

      鋰離子電池工作原理圖 

      下面以鈷酸鋰電池(LiCoO2—LixC6)為例來加以詳細說明。在鈷酸鋰鋰離子電池中,正極材料為鈷酸鋰(即氧化鈷鋰—LiCoO2), 此時的 Co 為+3 價。LiCoO2 可以看做是 Li嵌入 CoO2(CoO2 中的 Co 為+4 價)所得。負極材料是石墨,注意石墨是層狀結構,層與層之間是微弱的范德華力,層內 C 原子通過 sp2 雜化構成平面六邊形,層內有未參與雜化的 p 電子可以在其中自由運動。

      石墨-鈷酸鋰鋰離子電池工作原理圖 

      將負極材料石墨與正極材料鈷酸鋰連接時并沒有電流產生。在鋰離子電池生產工藝中,鋰離子電池生產中很重要的一步、也是在接近電池完成 時的一步重要工序叫做“化成”過程,即給鋰離子電池充電的過程,充電后負極才有鋰離子存在。充電時,伴隨著外電路的電子到達負極,同時有部分如 x 個鋰離子(不超過原鋰離子的一半)從正極 LiCoO2 中脫嵌,經過電解液和隔膜后插入到石墨層間(如圖 2-4 所示),構成了插層化合物 LixC6(如圖 2-5 所示)。

      LixC6的結構示意圖 

      這里需要說明的有兩點;

      ①鋰離子從正極脫嵌時,并不是正極鈷酸鋰中所有的鋰離子均脫嵌,只能有部分如 x 個鋰離子脫嵌, x 不能等于 1,否則鈷酸鋰的框架結構將會坍塌(看來鈷酸鋰晶體的大廈 是由 Co、O、Li 三種元素共同支撐的,一旦 Li 全部失去,余下的 Co 與 O 形成 CoO2,那么鈷酸鋰晶體的大廈將坍塌;如果只失去部分 Li,最多失去一半的 L i,那么這個大廈將由失去 Li 后的 CoO2 和原來遺留下來的 LiCoO2 可以勉力共同支撐)。所以 x 值通常取 0.5,即在電池設計時,如果充滿電,此時 x=0.5;

      ②電池的化成過程即預充電過程中,鋰離子移動到負極,外電路等量的電子同時到達負極,而“鋰離子+電子”的組合,正 是金屬 Li 原子。因此當鋰離子伴隨著電子同時進入石墨中時,鋰離子插入到石墨層間,完全可以看做是金屬陽離子 Li沉浸在自由電子的海洋中, 構成了金屬晶體 Li 與石墨的關系,這種關系可以類比于合金,金屬鋰單質被碳所束縛,LixC6 被稱為插層化合物或層間化合物。從專業術語來說,負極材料鋰離子的來去叫插入和脫插,正極材料鋰離子的來去叫嵌入和脫嵌。

      因此鋰離子電池的工作原理就是原電池原理。放電時,Li 原子失去電子,電子經外電路、Li從石墨層間脫插進入電解液,與電子同時移向正極, 在正極得電子的同時,x 個 Li嵌入到正極 Li1-XCoO2 中形成 LiCoO2。故放電時的負極反應可以寫作:LixC6-xe-==xLi+6C;在正極,得電子的元素是高價態金屬元素 Co,正極反應為:Li1-XCoO2+xLi+xe-==LiCoO2。放電時的總反應為:LixC6+L i1-xCoO2== L iCoO2+6C。

      充電時,鋰離子從正極脫嵌, 插入到石墨層中,陽極反應為:LiCoO2-xe-==Li1-XCoO2+xLi;陰極反應為:6C+xLi+xe-== LixC6。那么也就容易理解,鋰離子電池的電容量取決于放 電時能從負極回到正極中的 Li的數量。能從負極脫插,嵌入到正極的 Li 越多,鋰離子放電容量越大。

      除鈷酸鋰電池外,其它常見的鋰離子電池的正極材料還有磷酸亞鐵鋰 (LiFePO4)、鎳酸鋰(LiNiO2)錳酸鋰(LiMn2O4)等。它們都是以鋁作為集流體(起承載電極、匯集電流的作用)。典型負極材料是石墨,采用銅作為集流體。工作原理與鈷酸鋰電池相同(如圖 2-6 所示)。

      如磷酸亞鐵鋰電池(LiFePO4—LixC6),

      放電時的負極反應為:LixC6-xe-==xLi+6C;

      正極反應為 :Li1-XFePO4+xLi+xe-==LiFePO4 。

      充電時陽極反應 為 :LiFePO4-xe-==Li1-XFePO4+xLi;

      陰極反應為:6C+xLi+xe-== LixC6。

      鋰離子電池 

      Tags:鋰離子,鋰電池,工作原理  
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