鋰離子電池的工作原理是怎樣的？對正極材料有哪些要求？

1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池如今已被廣泛運用于諸多領域，那鋰離子電池是如何工作的呢？

按照用途，鋰離子電池主要可分為便攜設備供電電池、動力鋰電池、儲能電池等很多種類，但是它都是由四個主要基本組成部分構成，它們分別是鋰離子電池正、負極，電解液和隔膜。簡單來說鋰離子電池是一類濃差電池，所以它們的工作原理基本相同。充電時，鋰離子從正極材料中脫出，擴散到電解液中，最終到達負極表面;放電時，鋰離子嵌入正極材料中，嵌入的鋰離子來自負極。就這樣，鋰離子可以在正負極中可逆的脫嵌，為了使系統電荷平衡，電子通過外電路在正負極之間運輸。

2 鋰離子電池與固態電池的比較

(1)從電池結構上看，鋰離子電池有正極、負極、電解液、隔膜，固態電池有正極、負極、固態電解質；

(2)從電解質看，鋰離子電池電解質有LiPON、Thio-LISICON、 LATP等，固態電池有PVDF-HFP、 EC-DMC等；

(3)鋰離子電池的優勢有：工業化和自動化程度較高、電極和電解液的界面接觸好、導電率較高

(4)鋰離子電池的劣勢有：有機電解液易揮發、易燃燒，電池體系的熱穩定性較差；依賴形成的SEI膜保護電池；鋰離子與電子可能同時傳導；持續的界面副反應。

3 鋰離子電池正極材料的要求

鋰離子電池正極材料是鋰離子電池的最重要組成部分之一，也是決定鋰離子電池性能的的最關鍵部件。當前鋰離子正極材料的種類有：磷酸鐵鋰、三元NCA、三元NCM111、三元NCM523、三元NCM622、三元NCM811、錳酸鋰、鈷酸鋰等

要想得到高性能的鋰離子電池，作為鋰離子電池的正極材料要滿足諸多要求：

(1)首先，正極材料材料的結構的穩定性要得到滿足。反之，如果鋰離子電池穩定性不能滿足要求，那么鋰離子電池的使用壽命將大大降低，不能滿足實際生產生活的需要。鋰離子電池正極材料的穩定性滿足要求，那么鋰離子在脫嵌過程中不能引起材料結構和體積的變化，應力變化也要盡可能的小。

(2)鋰離子電池正極材料的重量比容量和體積比容量要足夠高。反之，如果鋰離子正極材料的可逆比容量比較低，那么鋰離子電池的比能量密度比較低，放電容量也較低。

(3)鋰離子電池正極材料的熱穩定性要高。有些鋰離子電池正極材料在充放電過程中會釋放熱量或者發生化學反應，使得電池處于過熱狀態，最終發生爆炸，如諸多型號手機在充電或者使用時發生爆炸，新能源汽車自燃，釀成慘劇。所以，鋰離子電池在充放電過程中要保證化學穩定性，確保在使用時，電池與設備處于安全環境中。

(4)鋰離子電池正極材料的充放電效率。電池的倍率性越來越成為決定電池性能好壞的因素。鋰離子電池正極材料中離子擴散速率低，正極材料本身導電性差，最終導致鋰離子電池的充放電速率低，限制了鋰離子電池的進一步發展。

(5)鋰離子電池正極材料的工作電壓。鋰離子電池正極材料的平均嵌鋰電壓要足夠高，負極材料電壓盡量低，鋰離子電池正負極之間的電壓差才能足夠大，才能實現鋰離子電池正負極材料的可逆脫嵌。但是，如果正極材料的工作電壓過高，則可能會引起材料的擊穿效應。所以，一般來說，鋰離子電池正極材料的電壓應控制在 2-5V。

(6)鋰離子電池正極材料的成本問題和毒性以及環境友好。鋰離子電池的正極材料成本應得到控制，使用低成本的材料?，F今，環境友好與健康因素越來越得到人們的重視，在選取電極材料時，應選取無毒并且儲量豐富且價格低廉的材料。

4 鋰離子電池與鉛酸電池的比較

質量能量密度：鋰離子電池大于鉛酸電池；

體積能量密度：鋰離子電池大于鉛酸電池；

電壓：鋰離子電池3-4.5V大于鉛酸電池的約2.1V；

循環壽命：鋰離子電池在3000次以上；

容量保持率：鋰離子電池小于70%，鉛酸電池小于60%；

安全性能：都很優秀；

環保特性：鋰離子電池比較環保。

推薦閱讀：

《【公司研究】欣旺達--首次覆蓋：鋰離子電池模組龍頭多業務并進未來可期-20200730[37頁].pdf》

《賽迪智庫：鋰離子電池產業發展白皮書（2020版）[56頁].pdf》