锂电池有哪些元素组成呢？锂电池应如何建模？

　锂电池元素

　锂电池的简称，锂电池主要是指在电极材料中使用了锂元素作为主要活性物质的一类电池。以这个定义来看，锂电池是指一类电池，包括锂一次电池（原电池）与锂二次电池。

　　锂电池有轻巧耐用等优点（比较一下电动车上的铅蓄电池就知道了），对环境污染相对小一些。

　　锂电池是一类由石墨为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池的发明者是爱迪生。

　　由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着二十世纪末微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。

　　中文名锂电成分锂元素

　　“锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M.S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。

　　锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

　　磷酸铁锂电池里不含钴元素锂离子电池是目前主流的动力电池之一不是所有动力电池都含有钴元素，也不是所有的锂离子电池里都含有钴元素，比如你提到的锰酸锂电池，镍酸锂电池，磷酸铁锂电池都不含钴元素，百度百科的定义看看就可以了动力电池是与数码用电池做区分，新能源车也可以使用如氢气作为能源，不一定要用动力电池.

　　钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂，等都成为锂电池是因为它们都包含锂离子；正常来说，磷酸铁锂是不含钴的，除非做特殊需求才掺杂的；动力电池包含锂电池、镍氢电池、铅酸电池等，主要是用在汽车动力这块的才称为动力电池；氧化钴锂其实就是钴酸锂，主要用在手机这类的消费电池；最后一个问题就像在问装在房间的灯泡都叫照明灯一样。

　　锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电反应：Li+MnO2=LiMnO2

　　锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

　　充电正极上发生的反应为

　　LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

　　充电负极上发生的反应为

　　6C+XLi++Xe-=LixC6

　　充电电池总反应：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

　　正极

　　碳负极材料

　　已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。

　　锡基负极材料

　　锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。没有商业化产品。

　　氮化物

　　也没有商业化产品。

　　合金类

　　包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金，也没有商业化产品。

　　纳米级

　　纳米碳管、纳米合金材料。

　　纳米氧化物

　　目前根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向，诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨，锡氧化物，纳米碳管里面，极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。  在锂离子电池建模领域，Newman模型及其衍生模型占据着主导地位。由于此类模型基于多孔结构的均相化，所以使用者无需再详细描述多孔电极的三维几何结构。

　　模型中，均相化是指通过将真实的多孔结构被处理成固体粒子（上方左图中的蓝色部分）和孔隙电解质（绿色部分）组成的均匀混合溶液，从而将多孔结构近似表示为一个块厚板。采用均相化表征带来的结果之一是：孔隙电解质（离子导体）和电极中的导电颗粒（电子导体）被定义在了同一个几何域中。之后，我们使用孔隙率和迂曲度等变量来对有效电荷和质量传递属性进行描述，进而考察孔隙结构和颗粒对几何形状的显著影响。

　　均相多孔电极模型包含了在电极材料和孔隙内电解质之间电荷转移反应，此反应在实现电流传输的同时，也充当了电极和电解质区域电流的源和汇，并实现二者的平衡，该反应类似溶液中两种化学物质之间均相反应。阴极的电荷转移反应是导体的平衡电流的源，同时也是用于维持孔隙电解质电流平衡的汇。采用上述的源和汇，根据法拉第定律和均相电荷转移反应的化学计量系数，可以实现模型中材料平衡的计算。

　　这些多孔电极模型对各类电化学电池中的多孔电极的建模和仿真帮助很大。但在描述锂离子电池多孔结构的详细设计时，这些模型是否有效呢？我和TommyZavalis（电池专家，COMSOL前员工，现为COMSOL客户）在茶歇时讨论了这个问题，结论是：只有将均相模型与非均相模型进行比较，才能知道这个问题的答案。为此，我们创建了一个非均相模型，以验证Newman模型对理想的三维多孔电极仿真的有效性。

　　创建非均相模型

　　在非均相模型中，我们明确地将导电颗粒和孔隙间电解质描述为三维结构，并在空间建模时将二者处理成两个独立的域。

　　离子迁移导致的电流守恒仅限于孔隙内电解质域，而导电颗粒的电流守恒仅限于固体电极区域。离子的质量传递仅定义在孔隙电解质域内，与此同时固体颗粒的表面存在一个边界，在该边界上，离子或溶液中的其它物质可以通过相间的电子转移进行反应。上述模型与均相模型形成了鲜明的对比，因为在均相模型中，材料平衡和反应均定义在整个均相电极的计算域中。

　　在模拟固体粒子表面形成的金属锂时，假设其仅在颗粒域中扩散，其中颗粒表面充当了外部边界。

　　现在，我们可以开始对比Newman模型和非均相模型哪一个可以更加有效地用于描述精细的三维模型。建模实验十分简单：我们构建了一个包含理想三维多孔结构的理想电池单元，左右两侧的多孔结构相当于锂离子电池中的负极和正极。最终的几何模型如下图，其中流线的作用是说明自由电解质和孔隙内电解质中的电流流向。电极粒子由长轴方向各异的椭球组成，形成了导电阵列，电解质包含在粒子之间的空隙中。

　　正极和负极中的电荷传递电流密度（A/m2）分布，分别对应右侧和左侧的几何结构与颜色图例。

　　上图显示了放电过程中固体粒子表面的电荷传递导致的电流密度的绝对值。在图中，正负电极面向集流体一侧比面向自由电解质（或分离膜）一侧的使用率更低。

　　我们可以通过旋转粒子的长轴方向，从而得到两种不同的沿电极长度方向的孔隙率分布，同时保持空隙-固体比率（孔隙率）总体不变。因为Newman模型只使用总体的的平均孔隙率作为输入条件，当电极结构发生上述变化，其计算结果没有变化。

　　若将图3中的电极旋转180°，比如旋转下图中箭头所处的正电极，电流密度分布将随之变化，但是这种变化非常小（两张图的颜色图例对比说明了这一点）。即使使用电化学阻抗谱也很难检测出该电流分布的细微差异，对此我们将在下文进行探讨。

　　当正极和负极均水平旋转180°后，右正极和左负极的电流密度分布。建议与图3对比观察（上文只提到了正极的旋转）。

　　我和Tommy喝着咖啡闲聊的时候曾做出这样的推测：可以使用类似于电化学阻抗谱（electrochemicalimpedancespectroscopy，简称EIS）的方法，将不同时间尺度的电极的子过程进行分离，也许有能力捕捉到不同几何结构导致电流分布产生的差异。为此，我们分别采用非均相几何模型和均相Newman模型对EIS实验进行模拟。