锂离子电池的工作原理是怎样的？对正极材料有哪些要求？

1 锂离子电池的工作原理

锂离子电池如今已被广泛运用于诸多领域，那锂离子电池是如何工作的呢？

按照用途，锂离子电池主要可分为便携设备供电电池、动力锂电池、储能电池等很多种类，但是它都是由四个主要基本组成部分构成，它们分别是锂离子电池正、负极，电解液和隔膜。简单来说锂离子电池是一类浓差电池，所以它们的工作原理基本相同。充电时，锂离子从正极材料中脱出，扩散到电解液中，最终到达负极表面;放电时，锂离子嵌入正极材料中，嵌入的锂离子来自负极。就这样，锂离子可以在正负极中可逆的脱嵌，为了使系统电荷平衡，电子通过外电路在正负极之间运输。

2 锂离子电池与固态电池的比较

(1)从电池结构上看，锂离子电池有正极、负极、电解液、隔膜，固态电池有正极、负极、固态电解质；

(2)从电解质看，锂离子电池电解质有LiPON、Thio-LISICON、 LATP等，固态电池有PVDF-HFP、 EC-DMC等；

(3)锂离子电池的优势有：工业化和自动化程度较高、电极和电解液的界面接触好、导电率较高

(4)锂离子电池的劣势有：有机电解液易挥发、易燃烧，电池体系的热稳定性较差；依赖形成的SEI膜保护电池；锂离子与电子可能同时传导；持续的界面副反应。

3 锂离子电池正极材料的要求

锂离子电池正极材料是锂离子电池的最重要组成部分之一，也是决定锂离子电池性能的的最关键部件。当前锂离子正极材料的种类有：磷酸铁锂、三元NCA、三元NCM111、三元NCM523、三元NCM622、三元NCM811、锰酸锂、钴酸锂等

要想得到高性能的锂离子电池，作为锂离子电池的正极材料要满足诸多要求：

(1)首先，正极材料材料的结构的稳定性要得到满足。反之，如果锂离子电池稳定性不能满足要求，那么锂离子电池的使用寿命将大大降低，不能满足实际生产生活的需要。锂离子电池正极材料的稳定性满足要求，那么锂离子在脱嵌过程中不能引起材料结构和体积的变化，应力变化也要尽可能的小。

(2)锂离子电池正极材料的重量比容量和体积比容量要足够高。反之，如果锂离子正极材料的可逆比容量比较低，那么锂离子电池的比能量密度比较低，放电容量也较低。

(3)锂离子电池正极材料的热稳定性要高。有些锂离子电池正极材料在充放电过程中会释放热量或者发生化学反应，使得电池处于过热状态，最终发生爆炸，如诸多型号手机在充电或者使用时发生爆炸，新能源汽车自燃，酿成惨剧。所以，锂离子电池在充放电过程中要保证化学稳定性，确保在使用时，电池与设备处于安全环境中。

(4)锂离子电池正极材料的充放电效率。电池的倍率性越来越成为决定电池性能好坏的因素。锂离子电池正极材料中离子扩散速率低，正极材料本身导电性差，最终导致锂离子电池的充放电速率低，限制了锂离子电池的进一步发展。

(5)锂离子电池正极材料的工作电压。锂离子电池正极材料的平均嵌锂电压要足够高，负极材料电压尽量低，锂离子电池正负极之间的电压差才能足够大，才能实现锂离子电池正负极材料的可逆脱嵌。但是，如果正极材料的工作电压过高，则可能会引起材料的击穿效应。所以，一般来说，锂离子电池正极材料的电压应控制在 2-5V。

(6)锂离子电池正极材料的成本问题和毒性以及环境友好。锂离子电池的正极材料成本应得到控制，使用低成本的材料。现今，环境友好与健康因素越来越得到人们的重视，在选取电极材料时，应选取无毒并且储量丰富且价格低廉的材料。

4 锂离子电池与铅酸电池的比较

质量能量密度：锂离子电池大于铅酸电池；

体积能量密度：锂离子电池大于铅酸电池；

电压：锂离子电池3-4.5V大于铅酸电池的约2.1V；

循环寿命：锂离子电池在3000次以上；

容量保持率：锂离子电池小于70%，铅酸电池小于60%；

安全性能：都很优秀；

环保特性：锂离子电池比较环保。

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