鋰離子電池的原理你知道多少

一，鋰離子電池的原理

 

1、正極構造

LiCoO2 + 導電劑 + 粘合劑 (PVDF) + 集流體（鋁箔）
 

 2、負極構造

石墨 + 導電劑 + 增稠劑 (CMC) + 粘結劑 (SBR) + 集流體（銅箔） 

 

3、工作原理
 

3.1 充電過程

一個電源給電池充電，此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。

正極上發生的反應為：

負極上發生的反應為：

 

3.2 電池放電過程
 

放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實是在外電路加一個可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實質都是在電池正負極加一個電阻讓電子通過。由此可知，只要負極上的電子不能從負極跑到正極，電池就不會放電。電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路不同，放電時，電子從負極經過電子導體跑到正極，鋰離子Li+從負極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達正極，與早就跑過來的電子結合在一起。
 

3.3 充放電特性
 

電芯正極采用LiCoO2 、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一種層結構很穩定的晶型，但當從LiCoO2拿走x個Li離子后，其結構可能發生變化，但是否發生變化取決于x的大小。
 

通過研究發現當x >0.5時，Li1-xCoO2的結構表現為極其不穩定，會發生晶型癱塌，其外部表現為電芯的壓倒終結。所以電芯在使用過程中應通過限制充電電壓來控制Li1-xCoO2中的x值，一般充電電壓不大于4.2V那么x小于0.5 ，這時Li1-xCoO2的晶型仍是穩定的。
 

負極C6其本身有自己的特點，當第一次化成后，正極LiCoO2中的Li被充到負極C6中，當放電時Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負極C6中心，以保證下次充放電Li的正常嵌入，否則電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實現：安全充電上限電壓≤4.2V，放電下限電壓≥2.5V。
 

記憶效應的原理是結晶化，在鋰電池中幾乎不會產生這種反應。但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降，其原因是復雜而多樣的。主要是正負極材料本身的變化，從分子層面來看，正負極上容納鋰離子的空穴結構會逐漸塌陷、堵塞；從化學角度來看，是正負極材料活性鈍化，出現副反應生成穩定的其他化合物。物理上還會出現正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數目。
 

過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結構出現塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結構里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。
 

不適合的溫度將引發鋰離子電池內部其他化學反應生成我們不希望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負極之間設有保護性的溫控隔膜或電解質添加劑。在電池升溫到一定的情況下，復合膜膜孔閉合或電解質變性，電池內阻增大直到斷路，電池不再升溫，確保電池充電溫度正常。

二，鋰電池的配方與工藝流程

1. 正負極配方
 

1.1 正極配方：LiCoO2+導電劑+粘合劑+集流體（鋁箔）

LiCoO2(10μm): 96.0%

導電劑（Carbon ECP） 2.0%

粘合劑（PVDF 761） 2.0% 

NMP（增加粘結性）:固體物質的重量比為8:15

a)正極粘度控制6000cps（溫度25℃ ）；

b) NMP重量須適當調節，達到粘度要求為宜；

c)特別注意溫度、濕度對黏度的影響
 

正極活性物質：
 

鈷酸鋰：正極活性物質，鋰離子源，為電池提高鋰源。非極性物質，不規則形狀，粒徑D50一般為6-8 μm，含水量≤0.2%，通常為堿性，pH值為10-11左右。
 

錳酸鋰：非極性物質，不規則形狀，粒徑D50一般為5-7 μm，含水量≤0.2%，通常為弱堿性，pH值為8左右。
 

導電劑：鏈狀物，含水量< 1%，粒徑一般為 1-5 μm。通常使用導電性優異的超導碳黑，如科琴炭黑Carbon ECP和ECP600JD，其作用：提高正極材料的導電性，補償正極活性物質的電子導電性；提高正極片的電解液的吸液量，增加反應界面，減少極化。
 

PVDF粘合劑：非極性物質，鏈狀物，分子量從300,000到3,000,000不等；吸水后分子量下降，粘性變差。用于將鈷酸鋰、導電劑和鋁箔或鋁網粘合在一起。常用的品牌如Kynar761。
 

NMP：弱極性液體，用來溶解/溶脹PVDF，同時用來稀釋漿料。
 

集流體（正極引線）：由鋁箔或鋁帶制成。
 

1.2 負極配方：石墨+導電劑+增稠劑（CMC）+粘結劑（SBR）+ 集流體（銅箔）

負極材料（石墨）：94.5%

導電劑（Carbon ECP）：1.0%(科琴超導碳黑)

粘結劑（SBR）：2.25%(SBR = 丁苯橡膠膠乳）

增稠劑（CMC）：2.25%(CMC = 羧甲基纖維素鈉）

水：固體物質的重量比為1600:1417.5

a) 負極黏度控制5000-6000cps（溫度25轉子3）

b) 水重量需要適當調節，達到黏度要求為宜；

c) 特別注意溫度濕度對黏度的影響

 

2、正負混料
 

石墨：負極活性物質，構成負極反應的主要物質；主要分為天然石墨和人造石墨兩大類。非極性物質，易被非極性物質污染，易在非極性物質中分散；不易吸水，也不易在水中分散。被污染的石墨，在水中分散后，容易重新團聚。一般粒徑 D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規則，主要有球形、片狀、纖維狀等。

 

導電劑：其作用為：

a) 提高負極片的導電性，補償負極活性物質的電子導電性。

b) 提高反應深度及利用率。

c) 防止枝晶的產生。

d) 利用導電材料的吸液能力，提高反應界面，減少極化。（可根據石墨粒度分布選擇加或不加）。

 

添加劑：降低不可逆反應，提高粘附力，提高漿料黏度，防止漿料沉淀。

增稠劑/防沉淀劑（CMC）：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。

異丙醇：弱極性物質，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑網狀交鏈，提高粘結強度。

乙醇：弱極性物質，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，提高粘結強度（異丙醇和乙醇的作用從本質上講是一樣的，大批量生產時可考慮成本因素然后選擇添加哪種）。
 

水性粘合劑（SBR）：將石墨、導電劑、添加劑和銅箔或銅網粘合在一起。小分子線性鏈狀乳液，極易溶于水和極性溶劑。

去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，酌量添加，改變漿料的流動性。

負極引線：由銅箔或鎳帶制成。

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