锂离子电池的工作原理和常用的正负极材料及特点

锂离子电池的工作原理和常用的正负极材料及特点

1109402006 顾轶男

伴随着多媒体时代的发展，笔记本电脑、手机、数码相机等便携电子产品的普及，锂离子电池的市场需求量越来越大。锂离子电池在20世纪90年代被日本索尼公司首次实现商业化生产，它是在锂电池的基础上被研究发展起来的。锂电池的负极材料是锂金属，正极是碳。而锂离子电池的工作原理和正负极材料却与之不同。下面具体来介绍一下锂离子电池的工作原理和常用的正负极材料及特点。

1 锂离子电池的工作原理

当对电池进行充电时，正极中的锂原子电离成Li+和电子，得到外部输入能量的Li+经过电解液运动到负极，并且Li+和电子在负极上复合成锂原子，重新形成的锂原子嵌入到具有很多微孔的碳层负极。嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

锂离子电池放电时，嵌在碳层的锂原子向负极表面移动，并在负极表面电离成Li+和电子，Li+和电子通过电解质和负载流向正极，在正极表面复合成锂原子并嵌入正极晶状层中。回到正极的锂离子越多，放电容量越大。

在该电池中，锂永远以离子的形式出现，不会以金属的形态出现，所以这种电池叫做锂离子电池[1]。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态，所以锂离子电池又被称作“摇椅式电池”。

实用化的锂离子电池一般包括：正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、PTC(正温度控制端子)、电池壳等。其中，正、负极材料和电解质的物理化学性能直接决定了锂离子电池的整体性能水平[2]。

2 常用的正极材料

选择正极活性物质需要注意两点：（1）对于锂离子反复嵌入和脱嵌要有结构的稳定性，即单体晶胞系数只发生很小的变化，确保良好的可逆性；（2）比能量高，循环性能好，易制备，成本低[3]。目前常见的锂离子正极材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等；

2.1 LiCoO2

最早运用于商品化的锂离子电池中的正极材料便是LiCoO2，LiCoO2是层状岩盐结构，很适合锂离子在其中的脱嵌。它的理论容量274 mAh/g，实际容量140mAh/g左右，工作电压范围为2.5—4.2V。因而LiCoO2作为正极材料的优点有工作电压较高，充放电电压平稳，适合大电流充放电，比能量高、循环性能好，生产工艺简单。然而Co有毒，容易造成环境污染，另外也是稀有金属，资源短缺，价格昂贵。因此对它

的研究和改进工作仍在继续。

2.2 LiNiO2

LiNiO2和LiCoO2同属层状岩盐结构，理论容量为274mAh/g，实际容量可达190—210mAh/g，工作电压范围为2.5—4.2V。LiNiO2可逆容量比LiCoO2高出不少，却比LiCoO2便宜。而且自放电低，没有环境污染，与多种电解质有着良好的相容性。不过存在着充放电过程中容易发生结构变化的缺陷，使电池的循环性能变差，容量衰减快，另外它的制备条件苛刻，热稳定性差，运用于电池方面存在安全隐患。尽管如此，但鉴于它拥有诸多优点，人们对它的研究仍然热情不减。

2.3 LiMn2O4

尖晶石型的LiMn2O4具有三维隧道结构，比层间化合物LiCoO2、LiNiO2更利于Li+嵌入和脱出[4]。它的基本性能参数理论容量148mAh/g，实际容量110—120mAh/g，工作电压3—4V。其优点为锰资源丰富，成本低，污染小，LiMn2O4作为正极抗过充性能好，制备较容易。LiMn2O4电极也有一些缺点：（1）在高电压充电下，电极中的锰会溶解到电解液中；（2）在深放电终止时发生Jahn—Teller扭曲效应；（3）锂离子嵌入脱出过程中形成附加相，使得LiMn2O4循环性差；（4）LiMn2O4材料高温下容量迅速衰减[5]。不过锂锰氧化物依旧是一种前景看好的最具发展潜力的正极材料。

3 常用的负极材料

锂离子电池对负极材料的要求是，锂离子能够自由进出嵌锂材料，而材料本身仅发生相应的膨胀或收缩，并不发生因应力过大引起的粉化与崩塌，从而既获得高的比容量，又具有稳定结构支撑下的优良循环特性[6]。目前已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料，如石墨、软碳、硬碳等，正在探索的负极材料有锡基氧化物、锡合金、氮化物、金属间化合物纳米负极材料。

3.1 石墨

石墨是锂离子电池碳材料中应用最早、研究最多的一种，具有完整的层状晶体结构，有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂-石墨层间化合物。石墨的理论容量为372mAh/g，充放电效率通常在90%以上。锂在石墨中的脱/嵌反应主要发生在0～0.25 V之间(相对于Li/Li+)，具有良好的充放电电位平台，可与提供锂离子电池的正极材料LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等匹配，组成的电池平均输出电压高。但石墨作为负极材料也存在许多缺点，例如，充放电循环过程中形成固体电解质界面膜，与溶剂相容性差，不适应大电流充放电等，所以在实际中广泛应用的多是改性石墨。

3.2 金属氧化物

在研究碳负极的同时，寻找电位与Li/Li+电对相近的其他负极材料的工作一直受到重视，如目前主要研究的SnO、WO2、MoO2、VO2、TiO2、Li x Fe2O3、Li4Mn2O12等，而其中SnO材料更是研究中的重点。这是由于锡基氧化物储锂材料有容量密度较高、清洁无污染、原料来源广泛、价格便宜等优点。

3.3 金属间化合物

上面提到的金属氧化物为负极时，首次充电形成的Li2O在负极中可起结构支撑体作用，但又存在较大的不可逆容量。所以，为了降低电极的不可逆容量，保持负极结构的稳定，可以采用金属间化合物来作为锂离子电池的负极。目前研究表明，锂合金负极材料的充放电机理实质上就是合金化与脱合金化反应，该过程导致的巨大体积变化是目前亟需克服的问题[7]。

4 结语

锂离子电池是物理、材料、能源、电子等众多学科的交叉领域。目前该领域的进展已引起化学电源界和产业界的极大兴趣[8]。为了提高电池性能，锂离子电池材料的选择与改进一直是研究的热点和关注点，相信作为绿色、环保、高能的锂离子电池能得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]王鸿麟，田金玉，王英杰,锂离子电池.电信技术，1997,11:23—24

[2]赵灵智.锂离子电池概述及负极材料研究进展.广东化学，2009,36（5）：106—111

[3]胡立祥等.锂离子电池概述及正极材料研究进展.山东机械，2004,4:56—58

[4]胡立祥等.锂离子电池概述及正极材料研究进展.山东机械，2004,4:56—58

[5]胡立祥等.锂离子电池概述及正极材料研究进展.山东机械，2004,4:56—58

[6]赵灵智.锂离子电池概述及负极材料研究进展.广东化学，2009,36（5）：106—111

[7]赵灵智.锂离子电池概述及负极材料研究进展.广东化学，2009,36（5）：106—111

[8]刘璐,王红蕾,张志刚.锂离子电池的工作原理及其主要材料.科技信息，2009,23:454—455