鋰離子電池

可充放電的蓄電池。具備電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等特點(diǎn)。

發(fā)展歷程

1970年，埃克森公司的M.S.惠廷厄姆[注]發(fā)現(xiàn)以二硫化鈦（TiS2）作為正極材料，與金屬鋰匹配的電池電壓高達(dá)2伏。然而，由于金屬鋰活性高，枝晶生成與不可控生長(zhǎng)導(dǎo)致了電池迅速失效，嚴(yán)重時(shí)可能引起爆炸，存在極大的安全隱患。1980年，J.B.古迪納夫[注]發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰（LiCoO2）層狀材料，可將電壓提高到4伏。鈷酸鋰材料的研發(fā)是鋰離子電池領(lǐng)域的重大突破，仍是鋰離子電池的主力正極材料。1985年，日本科學(xué)家吉野彰[注]采用石油焦作為負(fù)極，匹配鈷酸鋰材料，發(fā)明了可用于商業(yè)的鋰離子電池。1991年，日本索尼公司正式發(fā)布了首個(gè)商用鋰離子電池。1997年，古迪納夫發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料具備高容量、高循環(huán)穩(wěn)定性以及高安全性等特點(diǎn)，可以滿足鋰離子電池的要求，也是商業(yè)化正極材料之一。2000年以來，鋰離子電池發(fā)展進(jìn)入新階段，開發(fā)兼?zhèn)涓甙踩约案吣芰棵芏鹊匿囯x子電池成為研究熱點(diǎn)?；萃⒍蚰?、古迪納夫、吉野彰也因發(fā)展鋰離子電池共同獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 鋰離子電池主要組成包括正/負(fù)極材料、集流體、電解質(zhì)、隔膜以及合適的電池外殼等（圖1）。常見的正極材料有磷酸鐵鋰（LiFePO4）、鈷酸鋰（LiCoO2）以及錳酸鋰（Li2MnO3）等。負(fù)極材料多采用石墨。正極集流體為鋁箔，負(fù)極集流體為銅箔。電解質(zhì)包括聚合物類電解質(zhì)以及非水系液態(tài)電解質(zhì)。隔膜一般為多孔聚合物，既不影響鋰離子的輸運(yùn)也能有效隔絕正負(fù)極直接接觸，避免工作狀態(tài)下發(fā)生的電池短路。

工作原理

電池充電過程中，鋰離子從正極材料中脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)輸運(yùn)通過隔膜向負(fù)極遷移，得到電子后嵌入負(fù)極材料晶格中（圖2）；放電過程中，負(fù)極材料嵌入的鋰會(huì)失去電子成為鋰離子，重新遷移到正極材料晶格中。

以LiFePO4和石墨負(fù)極匹配的鋰離子電池為例，其充電過程中反應(yīng)如下，放電過程即為如下反應(yīng)的逆過程。

?正極反應(yīng)：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-?

?負(fù)極反應(yīng)：xLi++xe-+C→LixC?

?電池總反應(yīng)：LiFePO4+C→Li1-xFePO4+LixC