锂离子电池的主要种类、制作工艺及其化学解析

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。

　　锂离子电池（Li-ion，Lithium Ion Battery）：锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用——现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。

　　锂离子电池的主要种类：

　　从20世纪90年代初锂离子电池投放市场以来，由于它具有能量密度高、电压高、循环寿命长等优点，发展很快，因此品种增加也很快。锂离子电池可以从不同的角度来分类，根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池（Liquified Lithium-Ion Battery，简称为LIB）和聚合物锂离子电池（Polymer Lithium-Ion Battery，简称为PLB）。

　　1、根据电解质的种类分为：

　　液体锂离子电池：

　　优点是：

　　（1）锂离子电导率高?在较宽的温度范围内电导率在3&TImes;10-3?2&TImes;10-2/cm；

　　（2）化学性能稳定，正极，负极，隔膜，集流体电解质溶液基本不发生化学反应；

　　（3）制造电池的工艺比较简单，成本低。

　　缺点是：

　　容易漏液，安全性能差，液体的有机溶剂电解质容易引起着火和爆炸事故。

　　液体锂离子电池还可以根据电池的形状分为：圆柱型和方形电池。

　　聚合物电池：

　　聚合物电池进一步还可以分为：全固态电解质电池和凝胶型聚合物电解质电池。目前达到实用化并大量投产的是凝胶型聚合物电池。这种电池的特点是：

　　（1）电解质呈凝胶状态?不漏也安全性好；

　　（2）离子电导率接近液态锂离子电池；

　　（3）正极、隔膜和负极粘合在一起；

　　（4）采用软包装材料?降低了电池的重量；

　　（5）厚度减薄?体积减少?可以制作任意形状。

　　聚合物电池是锂离子电池的重要发展方向，不仅用于小型的电池上，也用于大型动力电池。

　　2、根据电池的用途和容量大小分类：

　　根据用途和容量大小来划分，锂离子电池可以分为：手提式电器?手提式电话机?笔记本电脑等?用的小型锂离子电池?这种电池的容量一般在2Ah以内。

　　大容量的锂离子电池主要用于电动工具?电动汽车?Electricvehicle ，EV?和混合动力汽车（Hybrid elecreic vehicle，HEV）。随着国际石油价格的不断上涨?EV 和HEV 用的锂电池的需求量会迅速增加。动力电池用于电动车上，要求一次充电电动车走长的距离，所以电池的容量大，每个电池的容量达上百Ah; HEV 电池要求高的功率， 电池的容量在10Ah 左右。

　　可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池，但它较为“娇气”，在使用中不可过充、过放（会损坏电池或使之报废）。因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。锂离子电池充电要求很高，要保证终止电压精度在±1%之内，各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC，以保证安全、可靠、快速地充电。

　　手机基本上都是使用锂离子电池。正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，并且有由几个电池串联并联在一起组成的电池组。锂离子电池的额定电压，因为材料的变化，一般为3.7V，磷酸铁锂（以下称磷铁）正极的则为3.2V。充满电时的终止充电电压一般是4.2V，磷铁3.65V。锂离子电池的终止放电电压为2.75V～3.0V（电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同，一般为3.0V，磷铁为2.5V）。低于2.5V（磷铁2.0V）继续放电称为过放，过放对电池会有损害。

　　钴酸锂类型材料为正极的锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间（内部会产生较高的温度而损耗能量），并可能发生危险；但磷酸铁锂正极材料锂电池，可以以20C甚至更大（C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA）的大电流进行充放电，特别适合电动车使用。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。锂离子电池对温度有一定要求，工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围，过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流（过热）。一般常用的充电倍率为0.25C～1C。在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止过热损坏电池或产生爆炸。

　　锂离子电池充电分为两个阶段：先恒流充电，到接近终止电压时改为恒压充电。例一种800mAh容量的电池，其终止充电电压为4.2V。电池以800mA（充电率为1C）恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4.2V时，改成4.2V恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1/10-50C（各厂设定值不一，不影响使用）时，认为接近充满，可以终止充电（有的充电器到1/10C后启动定时器，过一定时间后结束充电）。

　　锂离子电池的制作工艺：

　　锂电池的正极材料有钴酸锂LiCoO2 、三元材料Ni+Mn+Co、锰酸锂Li2MnO4加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，至今比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。

　　1、制浆：用专门的溶剂和粘结剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。

　　2、涂膜：通过自动涂布机将正负极浆料分别均匀地涂覆在金属箔表面，经自动烘干后自动剪切制成正负极极片。

　　3、装配：按正极片—隔膜—负极片—隔膜自上而下的顺序经卷绕注入电解液、封口、正负极耳焊接等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。

　　4、化成：将成品电池放置测试柜进行充放电测试，筛选出合格的成品电池，待出厂。

　　锂离子电池的化学解析：

　　和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入（插入）/脱嵌（脱插）的。

　　正极

　　正极材料：如上文所述，可选的正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：

　　正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO4→ Li1-xFePO4 + xLi + xe 放电时：Li1-xFePO4+ xLi + xe →LiFePO4

　　负极

　　负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。 负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。充电时：xLi + xe + 6C →LixC6 放电时：LixC6 → xLi + xe + 6C

　　大体分为以下几种：

　　第一种是碳负极材料：目前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。

　　第二种是锡基负极材料：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。目前没有商业化产品。

　　第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料，目前也没有商业化产品。

　　第四种是合金类负极材料：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 ，目前也没有商业化产品。

　　第五种是纳米级负极材料：纳米碳管、纳米合金材料。

　　第六种纳米材料是纳米氧化物材料：目前合肥翔正化学科技有限公司根据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，极大的提高锂电池的冲放电量和充放电次数。

　　电解质溶液

　　1.溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂（LiClO4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF？）。

　　2.溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜（solid electrolyte interphase，SEI）导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。