讲解锂离子电池的基本构成
来源：宝鄂实业
2020-03-26 13:04
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锂离子电池的基本组成
为了实现上述功能，锂离子电池需要包含几种基本材料:正电活性物质、负电活性物质、隔离膜、电解液。让我们快速讨论一下这些材料的用途。
理解正极和负极是不难的，为了实现电荷的运动，你需要正极和负极材料的电位差，那么什么是活性材料呢?我们知道，电池实际上是将电能和化学能相互转化来储存和释放能量。要做到这一点，你需要一种“容易”与之发生反应的材料，一种容易被氧化和还原的材料，一种可以转换能量的材料，所以我们需要一种“活性材料”来做电池的正极和负极。
如上所述，锂是我们生产电池的首选材料，那么为什么不用金属锂作为电极的活性材料呢?这不是最大能量密度吗?
如上图所示，氧(O)、钴(Co)和锂(Li)形成了一个非常稳定的正极材料结构(图中所示的比例和排列仅供参考)，负极石墨的碳原子也有一个非常稳定的层状结构。正极和负极材料不仅要活泼，而且要有非常稳定的结构，才能实现有序、可控的化学反应。不稳定的后果是什么?想想汽油燃烧或炸弹爆炸时能量的剧烈释放，这是一种几乎不可能精确控制的化学过程，因此化学能变成热能，同时不可逆地释放出来。
金属形式存在的锂元素太“活泼”，顽皮的孩子大多不听话，喜欢搞破坏。早期对锂离子电池的研究主要集中在金属锂或其合金作为负极，但出于安全考虑，他们不得不寻找更好的替代品。近年来，随着对能量密度的追求，这一研究方向出现了“全血复活”的趋势，我们将在后面讨论。
为了实现储能和释放过程的化学稳定性，也就是电池充放电周期的安全性和长寿命，我们需要一种电极材料，它在需要时是反应性的，在需要时是稳定的。经过长期的研究和探索，发现了几种锂金属氧化物，如锂钴氧化物、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料，作为电池活性物质的正极或负极，解决了上述问题。如图所示，磷酸铁锂的橄榄石结构也是一种非常稳定的正极材料结构。在充放电过程中，锂离子在不引起晶格坍塌的情况下被剥离。另外，金属锂电池也有，但与锂离子电池相比微不足道，技术的发展最终要服务于市场。
当然，在解决稳定性问题的同时，也带来了严重的“副作用”，即作为能量载体的锂的比例大幅下降，能量密度下降了一个多数量级。
负极通常选择石墨或其他碳材料作为活性物质，这也符合上述原则。要求是良好的能源载体，相对稳定，储量相对丰富，便于大规模生产。碳元素是一种相对最优的解决方案。当然，这并不是唯一的解决方案，而且负面材料已经被广泛研究过，稍后会讨论。
电解质是做什么用的?通俗地说，就是游泳池里面的“水”，让锂离子可以自由游动，所以离子导电性越高，阻力越小(游泳)，电子导电性(绝缘)越小，化学稳定性(稳定性)越好，热稳定性(安全性)越好，给人以广阔的潜在窗口。基于这些原理，经过长时间的工程探索，人们发现了高纯有机溶剂、锂电解液盐以及必要的添加剂等原料，在一定条件下，按一定比例配制电解液。有机溶剂有PC(碳酸丙烯)、EC(碳酸乙烯)、DMC(碳酸二甲酯)、DEC(碳酸二乙酯)、EMC(碳酸乙酯)等材料。锂电解液中含有LiPF6、LiBF4等物质。
