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淺析鋰離子電池的基本構成

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年12月25日  

鋰離子電池的基本組成


鋰離子電池要包含幾種基本材料:正電活性物質、負電活性物質、隔離膜、電解液?,F在,給你們一個快速的概述,這些材料是做什么用的?


理解正極和負極是不難的,為了實現電荷的運動,你要正極和負極材料的電位差,那么什么是活性材料呢?我們了解,電池實際上是將電能和化學能相互轉化來儲存和釋放能量。要做到這一點,你要一種容易與之發生反應的材料,一種容易被氧化和還原的材料,一種可以轉換能量的材料,所以我們要一種活性材料來做電池的正極和負極。


如上所述,鋰是我們生產電池的首選材料,那么為何不用金屬鋰作為電極的活性材料呢?這不是最大能量密度嗎?


如上圖所示,氧(O)、鈷(Co)和鋰(Li)形成了一個非常穩定的正極材料結構(圖中所示的比例和排列僅供參考),負極石墨的碳原子也有一個非常穩定的層狀結構。正極和負極材料不僅要活潑,而且要有非常穩定的結構,才能實現有序、可控的化學反應。不穩定的后果是什么?想想汽油燃燒或炸彈爆炸時能量的劇烈釋放,這是一種幾乎不可能精確控制的化學過程,因此化學能變成熱能,同時不可逆地釋放出來。


金屬形式存在的鋰元素太活潑,頑皮的孩子大多不聽話,喜歡搞破壞。早期對鋰離子電池的研究重要集中在金屬鋰或其合金作為負極,但出于安全考慮,他們不得不尋找更好的替代品。近年來,隨著對能量密度的追求,這一研究方向出現了全血復活的趨勢,我們將在后面討論。


為了實現儲能和釋放過程的化學穩定性,也就是電池充放電周期的安全性和長壽命,我們要一種電極材料,它在要時是反應性的,在要時是穩定的。經過長期的研究和探索,發現了幾種鋰金屬氧化物,如鋰鈷氧化物、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料,作為電池活性物質的正極或負極,解決了上述問題。如圖所示,磷酸鐵鋰的橄欖石結構也是一種非常穩定的正極材料結構。在充放電過程中,鋰離子在不引起晶格坍塌的情況下被剝離。另外,金屬鋰離子電池也有,但與鋰離子電池相比微不足道,技術的發展最終要服務于市場。


當然,在解決穩定性問題的同時,也帶來了嚴重的副用途,即作為能量載體的鋰的比例大幅下降,能量密度下降了一個多數量級。


負極通常選擇石墨或其他碳材料作為活性物質,這也符合上述原則。要求是良好的能源載體,相對穩定,儲量相對豐富,便于大規模生產。碳元素是一種相對最優的解決方法。當然,這并不是唯一的解決方法,而且負面材料已經被廣泛研究過,稍后會討論。


電解質是做什么用的?通俗地說,就是游泳池里面的水,讓鋰離子可以自由游動,所以離子導電性越高,阻力越小(游泳),電子導電性(絕緣)越小,化學穩定性(穩定性)越好,熱穩定性(安全性)越好,給人以廣闊的潛在窗口。基于這些原理,經過長時間的工程探索,人們發現了高純有機溶劑、鋰電解液鹽以及必要的添加劑等原料,在一定條件下,按一定比例配制電解液。有機溶劑有PC(碳酸丙烯)、EC(碳酸乙烯)、DMC(碳酸二甲酯)、DEC(碳酸二乙酯)、EMC(碳酸乙酯)等材料。鋰電解液中含有LiPF6、LiBF4等物質。


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