锂电池知识详解
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锂电池的优缺点
2、锂电池的缺点
1. 2. 3. 4. 5. 锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。 钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差。 锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电 在不使用的状态下存储一段时间后，其部分容量会永久丧失。 生产要求条件高，成本高。
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锂电池的原理与结构
3、锂电池常见的结构图
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磷酸铁锂电池的原理与结构
1、磷酸铁锂电池的工作原理
LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中 ，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而 命名的。 1、电池充电时：Li+从磷酸铁锂晶体的010面迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液 ，穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。与此同时，电子经 导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池极柱、外电路、负极极柱、负极耳流向负极的 铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后 ，磷酸铁锂转化成磷酸铁，其晶格结构变化如下图。 2、电池放电时： Li+从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到磷酸 铁锂晶体的表面，然后重新经010面嵌入到磷酸铁锂的晶格内。与此同时，电池经导电体流 向负极的铜箔集电极，经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的 铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。 从磷酸铁锂电池的工作原理可知，磷酸铁锂电池的充放电过程需要锂离子和电子的共同参 与，而且锂离子的迁移速度与电子的迁移速度要达至平衡。这就要求锂离子电池的正负电极必 须是离子和电子的混合导体，而且其离子导电能力和电子导电能力必须一致。但是众所周知， 磷酸铁锂的导电性能很差。而石墨负极的导电性虽然要好一些，但是要实现大倍率放电时，仍 然需要改善负极的导电性，使其的电子导电能力与锂离子从石墨中脱嵌的能力达至平衡。 群菱能源科技，专注于新能源检测
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锂电池的优缺点
1、锂电池的优点
锂电池(Lithium Battery, 简写成LB)分为锂一次电池(又称锂原电池, Primary LB)与锂二次电 池(又称锂可充电电池, Rechargeable LB)。锂原电池通常以金属锂或者锂合金为负极，用MnO2， SOCl2，(CF)n等材料为正极。锂二次电池研发分为金属锂二次电池、锂离子电池与锂聚合物电 池三个阶段。 1．能量比比较高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍； 2．使用寿命长。使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100DOD）充放电，有 可以使用10000次的记录； 3．额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V）。约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便 于组成电池电源组； 4．具备高功率承受力。其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力 ，便于高强度的启动加速； 5．自放电率很低。这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1/月以下，不到镍氢电池 的1/20；且无记忆效应 ； 6．重量轻。相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6； 7．高低温适应性强。可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下 使用； 8．绿色环保。不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属 元素和物质。 9． 生产基本不消耗水。对缺水的我国来说，十分有利。 群菱能源科技，专注于新能源检测
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锂电池的分类
【锂电池的分类】
1.按锂电池的外型分：方型锂电池（如常用的手机电池电芯）和柱形锂电 池（如18650）； 2.按锂电池外包材料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池； 3.按锂电池正负极材料（添加剂）分：沽酸锂（LiCoO2）电池或锰酸锂 （LiMn2O4），磷酸铁锂电池（ LiFePO4 ），一次性二氧化锰锂电池； 另一种分法：锂离子LIB，聚合物PLB； 4.按不同的性能用途方面分： ① 一次性锂电池－－锂锰电池－－扣式3伏电池； ② 高容量（高平台）锂电池－－用在手机数码产品上； ③ 高倍率锂电池；－－用在电动车和电动工具上及飞机模； ④ 型高温锂电池；－－矿灯，室上灯饰，机器内置后备电源； ⑤ 低温锂电池；－－室外环境，北方（冬天）南极； 5.锂电池还分成两类：不可充电的和可充电两类。
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锂电池的发展进程
【锂原电池的研究开始于20世纪50年代，在以后的发展大致经历了以下过程】 1. 1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极 材料，制成首个锂电池。 2. 1982年伊利诺伊理工大学the IllinoisInstitute of Technology的R.R.Agarwal 和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与 此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂 离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试 制成功。 3. 1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低 价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即 使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 4. 1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电 压。 5. 1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产 品的面貌。 6. 1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁LiFePO4， 比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。 在更好的电池未出现前，锂电池作为一种高能二次电池一其独特优势将会在很长 一段时间得到广泛应用于通信、仪器仪表、工控设备等各行业。
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锂电池的特性指标
1、锂电池的术语和定义
1、锂离子电池(lithium ion cell)：含有锂离子的能够直接将化学能转化为电能的装置。该装置包 括电极、隔膜、电解质、容器和端子等，并被设计成可充电。 2、锂离子电池组(lithium ion battery)：由任意数量的锂离子电池组合而成且准备使用的组合体。 该组合体包括适当的封装材料、连接器,也可能含有电子控制装置。 3、额定容量 (rated capacity) C：制造商标明的电池或电池组容量。 注：单位为安时（Ah）或毫安 时（mAh）。 4、充电限制电压 (limited charging volatge) Ucl：制造商规定的电池或电池组的额定最大充电电压 注：例如单节钴酸锂/石墨体系电池的充电限制电压一般为4.20V。 5、充电上限电压 (upper limited charging volatge)Uup：制造商规定的电池或电池组能承受的最高 安全充电电压。注：例如单节钴酸锂/石墨体系电池的充电上限电压一般为4.25V。 6、过压充电保护电压 (over voltage for charge protection) Ucp：制造商规定的大电压充电时的保护 电 路动作电压。 7、放电截止电压 (discharge cut-off voltage) Udo：制造商规定的放电终止时电池或电池组的负载电 压。 8、欠压放电保护电压 (low voltage for discharge protection)Udp：制造商规定的低电压放电时的保 护电路动作电压。 9、推荐充电电流 (reconnendation charging current) Icr：制造商推荐的恒流充电电流。 10、最大充电电流 (maximum charging current) Icm：制造商规定的最大的恒流充电电流。
1、正极：橄榄石(olivine)结构的LiFePO4作为电池的正极；由铝箔(aluminium foil)与电池正极连接， 2、负极：由碳(carbon)（石墨graphite）组成电池负极；由铜箔(copper foil)与 电池的负极连接。 3、隔膜(diaphragm)：为聚合物(polymer)材料； 4、电解质(electrolyte)：如六氟磷酸锂，高氯酸锂、四弗硼酸锂等。 5、电解液：电解液包含：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、丁酸乙 酯、氟代碳酸乙烯酯、双草酸硼酸酯锂、六氟磷酸锂。 6、另外还有绝缘材料、安全阀、密封圈、外壳等。
1. 2.
3. 4.
对于磷酸铁锂电池而言： 导电性差。这个问题是其最关键的问题。但是，这个问题目前 已经可以得到完美的解决：就是添加C或其它导电剂。 振实密度较低。一般只能达到1.3-1.5，低的振实密度可以说是 磷酸铁锂的最大缺点。这一缺点决定了它在小型电池如手机电 池等没有优势。 一致性差。原因:材料成分不均,生产过程控制不好。 不耐低温。
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磷酸铁锂电池的原理与结构
1、磷酸铁锂电池的工作原理
【磷酸铁锂电池在充放电过程中发生如下电化学反应】
图1：LiFePO4电池的内部结构示意图
图2： LiFePO4电池的内部结构示意图
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磷酸铁锂电池的原理与结构
2、磷酸铁锂电池的结构特点
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锂电池的原理与结构
1、锂电池的工作原理
所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二 次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离 子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。 以LiCoO2为例： (1)电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。 (2)正极材料：这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在 空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。 (3)负极材料：为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包 括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合 氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。 正极上发生的反应为： LiCoO₂=Li₁-xCoO₂+xLi++xe-(电子) 负极上发生的反应为： C+xLi++xe-=CLix 电池总反应： LiCoO₂+C=Li1-xCoO₂+ CLix 群菱能源科技，专注于新能源检测
Lithium battery introduction
北京群菱能源科技有限公司 Mr.Lidf
2012年08月 北京
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Contents
1. 锂电池的发展进程 2. 锂电池的原理与结构 3. 锂电池的特性指标 4. 锂电池内阻的探讨 5. 锂电池的正确使用与维护
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锂电池的原理与结构
2、锂电池的结构特点
锂电池一般包括：正极（positive）、负极（negative）、电解质（ electrolyte）、隔膜（separator）、正极引线（positivelead）、负 极引线（negativeplate）、中心端子、绝缘材料（insulator）、安全 阀（safetyvent）、密封圈（gasket）、PTC（正温度控制端子）、电 池壳及电极引线。 目前较为常用的锂电池材料有钴酸锂、镍酸锂以及锰酸锂。用得最 多的材料是钴酸锂，循环性能好，制造也方便，缺点是钴化合物价格较 贵。镍酸锂的因为性质不稳定，制造困难，通常用得较多的是钴酸锂掺 杂镍的化合物，又称镍钴酸锂。锰酸锂也是非常好的材料，在高温下锰 酸锂的衰减比较快等诸多原因，目前应用多数还停留在实验室阶段。 锂电池的结构主要分卷绕式和层叠式两大类。液态锂电池采用卷绕 结构，聚合物锂电池则两种都有。卷绕式将正极膜片、隔膜、负极膜片 依次放好，卷绕成圆柱形或扁柱形，主要以SANYO、TOSHIBA、SONY 、ATL为代表。层叠式则将正极、隔膜、负极、隔膜、正极这样的方式 多层堆叠。将所有正极焊接在一起引出，负极也焊成一起引出，主要以 ATL为代表。
锂电池的优缺点
2、锂电池的缺点
1. 2. 3. 4. 5. 锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。 钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差。 锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电 在不使用的状态下存储一段时间后，其部分容量会永久丧失。 生产要求条件高，成本高。
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3、锂电池常见的结构图
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磷酸铁锂电池的原理与结构
1、磷酸铁锂电池的工作原理
LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中 ，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而 命名的。 1、电池充电时：Li+从磷酸铁锂晶体的010面迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液 ，穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。与此同时，电子经 导电体流向正极的铝箔集电极，经极耳、电池极柱、外电路、负极极柱、负极耳流向负极的 铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后 ，磷酸铁锂转化成磷酸铁，其晶格结构变化如下图。 2、电池放电时： Li+从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到磷酸 铁锂晶体的表面，然后重新经010面嵌入到磷酸铁锂的晶格内。与此同时，电池经导电体流 向负极的铜箔集电极，经极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的 铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。 从磷酸铁锂电池的工作原理可知，磷酸铁锂电池的充放电过程需要锂离子和电子的共同参 与，而且锂离子的迁移速度与电子的迁移速度要达至平衡。这就要求锂离子电池的正负电极必 须是离子和电子的混合导体，而且其离子导电能力和电子导电能力必须一致。但是众所周知， 磷酸铁锂的导电性能很差。而石墨负极的导电性虽然要好一些，但是要实现大倍率放电时，仍 然需要改善负极的导电性，使其的电子导电能力与锂离子从石墨中脱嵌的能力达至平衡。 群菱能源科技，专注于新能源检测
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锂电池的优缺点
1、锂电池的优点
锂电池(Lithium Battery, 简写成LB)分为锂一次电池(又称锂原电池, Primary LB)与锂二次电 池(又称锂可充电电池, Rechargeable LB)。锂原电池通常以金属锂或者锂合金为负极，用MnO2， SOCl2，(CF)n等材料为正极。锂二次电池研发分为金属锂二次电池、锂离子电池与锂聚合物电 池三个阶段。 1．能量比比较高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍； 2．使用寿命长。使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100DOD）充放电，有 可以使用10000次的记录； 3．额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V）。约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便 于组成电池电源组； 4．具备高功率承受力。其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力 ，便于高强度的启动加速； 5．自放电率很低。这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1/月以下，不到镍氢电池 的1/20；且无记忆效应 ； 6．重量轻。相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6； 7．高低温适应性强。可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下 使用； 8．绿色环保。不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属 元素和物质。 9． 生产基本不消耗水。对缺水的我国来说，十分有利。 群菱能源科技，专注于新能源检测
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锂电池的分类
【锂电池的分类】
1.按锂电池的外型分：方型锂电池（如常用的手机电池电芯）和柱形锂电 池（如18650）； 2.按锂电池外包材料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池； 3.按锂电池正负极材料（添加剂）分：沽酸锂（LiCoO2）电池或锰酸锂 （LiMn2O4），磷酸铁锂电池（ LiFePO4 ），一次性二氧化锰锂电池； 另一种分法：锂离子LIB，聚合物PLB； 4.按不同的性能用途方面分： ① 一次性锂电池－－锂锰电池－－扣式3伏电池； ② 高容量（高平台）锂电池－－用在手机数码产品上； ③ 高倍率锂电池；－－用在电动车和电动工具上及飞机模； ④ 型高温锂电池；－－矿灯，室上灯饰，机器内置后备电源； ⑤ 低温锂电池；－－室外环境，北方（冬天）南极； 5.锂电池还分成两类：不可充电的和可充电两类。
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锂电池的发展进程
【锂原电池的研究开始于20世纪50年代，在以后的发展大致经历了以下过程】 1. 1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极 材料，制成首个锂电池。 2. 1982年伊利诺伊理工大学the IllinoisInstitute of Technology的R.R.Agarwal 和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性，此过程是快速的，并且可逆。与 此同时，采用金属锂制成的锂电池，其安全隐患备受关注，因此人们尝试利用锂 离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试 制成功。 3. 1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料，具有低 价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低于钴酸锂，即 使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 4. 1989年，A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电 压。 5. 1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产 品的面貌。 6. 1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁LiFePO4， 比传统的正极材料更具优越性，因此已成为当前主流的正极材料。 在更好的电池未出现前，锂电池作为一种高能二次电池一其独特优势将会在很长 一段时间得到广泛应用于通信、仪器仪表、工控设备等各行业。
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锂电池的特性指标
1、锂电池的术语和定义
1、锂离子电池(lithium ion cell)：含有锂离子的能够直接将化学能转化为电能的装置。该装置包 括电极、隔膜、电解质、容器和端子等，并被设计成可充电。 2、锂离子电池组(lithium ion battery)：由任意数量的锂离子电池组合而成且准备使用的组合体。 该组合体包括适当的封装材料、连接器,也可能含有电子控制装置。 3、额定容量 (rated capacity) C：制造商标明的电池或电池组容量。 注：单位为安时（Ah）或毫安 时（mAh）。 4、充电限制电压 (limited charging volatge) Ucl：制造商规定的电池或电池组的额定最大充电电压 注：例如单节钴酸锂/石墨体系电池的充电限制电压一般为4.20V。 5、充电上限电压 (upper limited charging volatge)Uup：制造商规定的电池或电池组能承受的最高 安全充电电压。注：例如单节钴酸锂/石墨体系电池的充电上限电压一般为4.25V。 6、过压充电保护电压 (over voltage for charge protection) Ucp：制造商规定的大电压充电时的保护 电 路动作电压。 7、放电截止电压 (discharge cut-off voltage) Udo：制造商规定的放电终止时电池或电池组的负载电 压。 8、欠压放电保护电压 (low voltage for discharge protection)Udp：制造商规定的低电压放电时的保 护电路动作电压。 9、推荐充电电流 (reconnendation charging current) Icr：制造商推荐的恒流充电电流。 10、最大充电电流 (maximum charging current) Icm：制造商规定的最大的恒流充电电流。
1、正极：橄榄石(olivine)结构的LiFePO4作为电池的正极；由铝箔(aluminium foil)与电池正极连接， 2、负极：由碳(carbon)（石墨graphite）组成电池负极；由铜箔(copper foil)与 电池的负极连接。 3、隔膜(diaphragm)：为聚合物(polymer)材料； 4、电解质(electrolyte)：如六氟磷酸锂，高氯酸锂、四弗硼酸锂等。 5、电解液：电解液包含：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、丁酸乙 酯、氟代碳酸乙烯酯、双草酸硼酸酯锂、六氟磷酸锂。 6、另外还有绝缘材料、安全阀、密封圈、外壳等。
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3. 4.
对于磷酸铁锂电池而言： 导电性差。这个问题是其最关键的问题。但是，这个问题目前 已经可以得到完美的解决：就是添加C或其它导电剂。 振实密度较低。一般只能达到1.3-1.5，低的振实密度可以说是 磷酸铁锂的最大缺点。这一缺点决定了它在小型电池如手机电 池等没有优势。 一致性差。原因:材料成分不均,生产过程控制不好。 不耐低温。
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1、磷酸铁锂电池的工作原理
【磷酸铁锂电池在充放电过程中发生如下电化学反应】
图1：LiFePO4电池的内部结构示意图
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1、锂电池的工作原理
所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二 次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离 子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。 以LiCoO2为例： (1)电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。 (2)正极材料：这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在 空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。 (3)负极材料：为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包 括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合 氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。 正极上发生的反应为： LiCoO₂=Li₁-xCoO₂+xLi++xe-(电子) 负极上发生的反应为： C+xLi++xe-=CLix 电池总反应： LiCoO₂+C=Li1-xCoO₂+ CLix 群菱能源科技，专注于新能源检测
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2、锂电池的结构特点
锂电池一般包括：正极（positive）、负极（negative）、电解质（ electrolyte）、隔膜（separator）、正极引线（positivelead）、负 极引线（negativeplate）、中心端子、绝缘材料（insulator）、安全 阀（safetyvent）、密封圈（gasket）、PTC（正温度控制端子）、电 池壳及电极引线。 目前较为常用的锂电池材料有钴酸锂、镍酸锂以及锰酸锂。用得最 多的材料是钴酸锂，循环性能好，制造也方便，缺点是钴化合物价格较 贵。镍酸锂的因为性质不稳定，制造困难，通常用得较多的是钴酸锂掺 杂镍的化合物，又称镍钴酸锂。锰酸锂也是非常好的材料，在高温下锰 酸锂的衰减比较快等诸多原因，目前应用多数还停留在实验室阶段。 锂电池的结构主要分卷绕式和层叠式两大类。液态锂电池采用卷绕 结构，聚合物锂电池则两种都有。卷绕式将正极膜片、隔膜、负极膜片 依次放好，卷绕成圆柱形或扁柱形，主要以SANYO、TOSHIBA、SONY 、ATL为代表。层叠式则将正极、隔膜、负极、隔膜、正极这样的方式 多层堆叠。将所有正极焊接在一起引出，负极也焊成一起引出，主要以 ATL为代表。