我們現(xiàn)在日常生活中大量應(yīng)用的鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹鋰離子電池之前，先介紹鋰電池。
舉例來講，以前照相機(jī)里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電.這種電池也可能充電,但循環(huán)性能不好,在充放電循環(huán)過程中,容易形成鋰枝晶,造成電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。
后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出， 又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。鋰離子電池就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運(yùn)動(dòng)員一樣在搖椅來回奔跑。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。
一、鋰離子電池電池組成部分
鋼殼/鋁殼系列：
?。?）電池上下蓋
?。?）正極——活性物質(zhì)一般為氧化鋰鈷
（3）隔膜——一種特殊的復(fù)合膜
?。?）負(fù)極——活性物質(zhì)為碳
?。?）有機(jī)電解液
?。?）電池殼（分為鋼殼和鋁殼兩種）
軟包裝系列
?。?）正極——活性物質(zhì)一般為氧化鋰鈷
?。?）隔膜——PP或者PE復(fù)合膜
（3）負(fù)極——活性物質(zhì)為碳
?。?）有機(jī)電解液
?。?）電池殼——鋁塑復(fù)合膜
二、充電
第一次充電，如果時(shí)間能較長，那么可以使電極盡可能多的達(dá)到最高氧化態(tài)，如此能增長電池使用壽命。
三、鋰離子電池優(yōu)缺點(diǎn)
1、鋰離子電池存在著一定的缺點(diǎn)，如：
1） 電池成本較高。主要表現(xiàn)在正極材料鈷酸鋰的價(jià)格高（Co的資源較?。?，電解質(zhì)體系提純困難。
2） 不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對(duì)其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。
3） 需要保護(hù)線路控制。
A、 過充保護(hù)：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時(shí)過充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恒壓下充電；
B、 過放保護(hù)：過放會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)線路控制。
2、鋰離子電池具有很多優(yōu)點(diǎn)：
1） 電壓高，單體電池的工作電壓高達(dá)3.6-3.9V，是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍
2） 比能量大，目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于鎳鎘電池，1.5倍于鎳氫電池）,未來隨著技術(shù)發(fā)展,比能量可高達(dá)150Wh/kg和400 Wh/L
3） 循環(huán)壽命長,一般均可達(dá)到500次以上,甚至1000次以上.對(duì)于小電流放電的電器,電池的使用期限 將倍增電器的競(jìng)爭(zhēng)力.
4） 安全性能好,無公害,無記憶效應(yīng).作為鋰離子電池前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：鋰離子電池中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的鎳鎘電池電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但鋰離子電池根本不存在這方面的問題。
5） 自放電小，室溫下充滿電的鋰離子電池儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為10%左右，大大低于鎳鎘電池的25-30%，鎳氫電池的30-35%。
6) 可快速充放電，1C充電是容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上。
7) 工作溫度范圍高，工作溫度為-25~45°C，隨著電解質(zhì)和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-40~70°C。
電子信息時(shí)代使對(duì)移動(dòng)電源的需求快速增長。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量的重要優(yōu)點(diǎn)，且循環(huán)壽命長、安全性能好，使其在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。
鋰離子電池的機(jī)理一般性分析認(rèn)為,鋰離子電池作為一種化學(xué)電源，指分別用兩個(gè)能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。鋰離子電池是物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)等學(xué)科研究的結(jié)晶。鋰離子電池所涉及的物理機(jī)理,目前是以固體物理中嵌入物理來解釋的,嵌入是指可移動(dòng)的客體粒子（分子、原子、離子）可逆地嵌入到具有合適尺寸的主體晶格中的網(wǎng)絡(luò)空格點(diǎn)上。電子輸運(yùn)鋰離子電池的正極和負(fù)極材料都是離子和電子的混合導(dǎo)體嵌入化合物。電子只能在正極和負(fù)極材料中運(yùn)動(dòng)。已知的嵌入化合物種類繁多，客體粒子可以是分子、原子或離子．在嵌入離子的同時(shí)，要求由主體結(jié)構(gòu)作電荷補(bǔ)償，以維持電中性。電荷補(bǔ)償可以由主體材料能帶結(jié)構(gòu)的改變來實(shí)現(xiàn)，電導(dǎo)率在嵌入前后會(huì)有變化。鋰離子電池電極材料可穩(wěn)定存在于空氣中與其這一特性息息相關(guān)。嵌入化合物只有滿足結(jié)構(gòu)改變可逆并能以結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)電荷變化才能作為鋰離子電池電極材料。
控制鋰離子電池性能的關(guān)鍵材料——電池中正負(fù)極活性材料是這一技術(shù)的關(guān)鍵。
1 正極材料的性能和一般制備方法
正極中表征離子輸運(yùn)性質(zhì)的重要參數(shù)是化學(xué)擴(kuò)散系數(shù),通常情況下，正極活性物質(zhì)中鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)都比較低。鋰嵌入到正極材料或從正級(jí)材料中脫嵌，伴隨著晶相變化。因此，鋰離子電池的電極膜都要求很薄，一般為幾十微米的數(shù)量級(jí)。正極材料的嵌鋰化合物是鋰離子電池中鋰離子的臨時(shí)儲(chǔ)存容器。為了獲得較高的單體電池電壓，傾向于選擇高電勢(shì)的嵌鋰化合物。正極材料應(yīng)滿足：
1）在所要求的充放電電位范圍內(nèi)，具有與電解質(zhì)溶液的電化學(xué)相容性；
2）溫和的電極過程動(dòng)力學(xué)；
3）高度可逆性；
4）全鋰化狀態(tài)下在空氣中的穩(wěn)定性。
研究的熱點(diǎn)主要集中在層狀LiMO2和尖晶石型LiM2O4結(jié)構(gòu)的化合物及復(fù)合兩種M（M為Co，Ni，Mn，V等過渡金屬離子）的類似電極材料上。作為鋰離子電池的正極材料，Li＋離子的脫嵌與嵌入過程中結(jié)構(gòu)變化的程度和可逆性決定了電池的穩(wěn)定重復(fù)充放電性。正極材料制備中，其原料性能和合成工藝條件都會(huì)對(duì)最終結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。多種有前途的正極材料，都存在使用循環(huán)過程中電容量衰減的情況，這是研究中的首要問題。已商品化的正極材料有Li1－xCoO2（0<x<0．8），Li1－xNiO2（0<x<0．8），LiMnO2。它們作為鋰離子電池正極材料各有優(yōu)劣。鈷酸鋰為正極的鋰離子電池具有開路電壓高，比能量大，循環(huán)壽命長，能快速充放電等優(yōu)點(diǎn)，但安全性差；鎳酸鋰較鋰鈷氧價(jià)格低廉，性能與鈷酸鋰相當(dāng)，具有較優(yōu)秀的嵌鋰性能，但制備困難；而錳酸鋰價(jià)格更為低廉，制備相對(duì)容易，而且其耐過充安全性能好，但其嵌鋰容量低，并且充放電時(shí)尖晶石結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。從應(yīng)用前景來看，尋求資源豐富、價(jià)廉、無公害，還有在過充電時(shí)對(duì)電壓控制和電路保護(hù)的要求較低等優(yōu)點(diǎn)的，高性能的正極材料將是鋰離子電池正極材料研究的重點(diǎn)。國外有報(bào)道LiVO2亦能形成層狀化合物，可作為正極電極材料。從這些報(bào)道看出，雖然電極材料化學(xué)組成相同，但制備工藝發(fā)生變化后，其性能改變較多。成功的商品化電極材料在制備工藝上都有其獨(dú)到之處，這是國內(nèi)目前研究的差距所在。各種制備方法優(yōu)缺點(diǎn)列舉如下。
1）固相法一般選用碳酸鋰等鋰鹽和鈷化合物或鎳化合物研磨混合后，進(jìn)行燒結(jié)反應(yīng)。此方法優(yōu)點(diǎn)是工藝流程簡(jiǎn)單，原料易得，屬于鋰離子電池發(fā)展初期被廣泛研究開發(fā)生產(chǎn)的方法，國外技術(shù)較成熟；缺點(diǎn)是所制得正極材料電容量有限，原料混合均勻性差，制備材料的性能穩(wěn)定性不好，批次與批次之間質(zhì)量一致性差。
2）絡(luò)合物法用有機(jī)絡(luò)合物先制備含鋰離子和鈷或釩離子的絡(luò)合物前驅(qū)體，再燒結(jié)制備。該方法的優(yōu)點(diǎn)是分子規(guī)模混合，材料均勻性和性能穩(wěn)定性好，正極材料電容量比固相法高，國外已試驗(yàn)用作鋰離子電池的工業(yè)化方法，技術(shù)并未成熟，國內(nèi)目前還鮮有報(bào)道。
3）溶膠凝膠法利用上世紀(jì)70年代發(fā)展起
來的制備超微粒子的方法，制備正極材料，該方法具備了絡(luò)合物法的優(yōu)點(diǎn)，而且制備出的電極材料電容量有較大的提高，屬于正在國內(nèi)外迅速發(fā)展的一種方法。缺點(diǎn)是成本較高，技術(shù)還屬于開發(fā)階段。
4）離子交換法Armstrong等用離子交換法制備的LiMnO2，獲得了可逆放電容量達(dá)270mA·h/g高值，此方法成為研究的新熱點(diǎn)，它具有所制電極性能穩(wěn)定，電容量高的特點(diǎn)。但過程涉及溶液重結(jié)晶蒸發(fā)等費(fèi)能費(fèi)時(shí)步驟，距離實(shí)用化還有相當(dāng)距離。
正極材料的研究從國外文獻(xiàn)可看出,其電容量以每年30～50mA·h/g的速度在增長，發(fā)展趨向于微結(jié)構(gòu)尺度越來越小，而電容量越來越大的嵌鋰化合物，原材料尺度向納米級(jí)挺進(jìn)，關(guān)于嵌鋰化合物結(jié)構(gòu)的理論研究已取得一定進(jìn)展，但其發(fā)展理論還在不斷變化中。困擾這一領(lǐng)域的鋰電池電容量提高和循環(huán)容量衰減的問題，已有研究者提出添加其它組分來克服的方法。但就目前而言，這些方法的理論機(jī)理并未研究清楚，導(dǎo)致日本學(xué)者Yoshio.Nishi認(rèn)為，過去十年以來在這一領(lǐng)域?qū)嵸|(zhì)進(jìn)展不大，急須進(jìn)一步地研究。
2 負(fù)極材料的性能和一般制備方法
負(fù)極材料的電導(dǎo)率一般都較高，則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰的化合物，如各種碳材料和金屬氧化物?？赡娴厍度朊撉朵囯x子的負(fù)極材料要求具有：
1）在鋰離子的嵌入反應(yīng)中自由能變化??；
2）鋰離子在負(fù)極的固態(tài)結(jié)構(gòu)中有高的擴(kuò)散率；
3）高度可逆的嵌入反應(yīng)；
4）有良好的電導(dǎo)率；
5）熱力學(xué)上穩(wěn)定，同時(shí)與電解質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)。
研究工作主要集中在碳材料和具有特殊結(jié)構(gòu)的其它金屬氧化物。石墨、軟碳、中相碳微球已在國內(nèi)有開發(fā)和研究，硬碳、碳納米管、巴基球C60等多種碳材料正在被研究中。日本Honda Researchand Development Co．，Ltd的K．Sato等人利用聚對(duì)苯撐乙烯（Polyparaphenylene——PPP）的熱解產(chǎn)物PPP－700（以一定的加熱速度加熱PPP至700℃，并保溫一定時(shí)間得到的熱解產(chǎn)物）作為負(fù)極，可逆容量高達(dá)680mA·h/g。美國MIT的MJMatthews報(bào)道PPP－700儲(chǔ)鋰容量（Storagecapacity）可達(dá)1170mA·h/g。若儲(chǔ)鋰容量為1170mA·h/g，隨著鋰嵌入量的增加，進(jìn)而提高鋰離子電池性能，筆者認(rèn)為今后研究將集中于更小的納米尺度的嵌鋰微結(jié)構(gòu)。幾乎與研究碳負(fù)極同時(shí)，尋找電位與Li＋／Li電位相近的其他負(fù)極材料的工作一直受到重視。鋰離子電池中所用碳材料尚存在兩方面的問題：
1）電壓滯后，即鋰的嵌入反應(yīng)在0～0．25V之間進(jìn)行（相對(duì)于Li＋／Li）而脫嵌反應(yīng)則在1V左右發(fā)生；
2）循環(huán)容量逐漸下降，一般經(jīng)過12～20次循環(huán)后，容量降至400～500mA·h/g。
理論上的進(jìn)一步深化還有賴于各種高純度、結(jié)構(gòu)規(guī)整的原料及碳材料的制備和更為有效的結(jié)構(gòu)表征方法的建立。日本富士公司開發(fā)出了鋰離子電池新型錫復(fù)合氧化物基負(fù)極材料，除此之外，已有的研究主要集中于一些金屬氧化物，其質(zhì)量比能量較碳負(fù)極材料大大提高。如SnO2，WO2，MoO2，VO2，TiO2，LixFe2O3，Li4Ti5O12，Li4Mn5O12等，但不如碳電極成熟。鋰在碳材料中的可逆高儲(chǔ)存機(jī)理主要有鋰分子Li2形成機(jī)理、多層鋰機(jī)理、晶格點(diǎn)陣機(jī)理、彈性球－彈性網(wǎng)模型、層－邊端－表面儲(chǔ)鋰機(jī)理、納米級(jí)石墨儲(chǔ)鋰機(jī)理、碳－鋰－氫機(jī)理和微孔儲(chǔ)鋰機(jī)理。石墨，作為碳材料中的一種，早就被發(fā)現(xiàn)它能與鋰形成石墨嵌入化合物（Graphite Intercalation Compounds）LiC6，但這些理論還處于發(fā)展階段。負(fù)極材料要克服的困難也是一個(gè)容量循環(huán)衰減的問題，但從文獻(xiàn)可知，制備高純度和規(guī)整的微結(jié)構(gòu)碳負(fù)極材料是發(fā)展的一個(gè)方向。
