鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質作負極的電的化學源總稱，自2023年鋰離子電池問世並商業化生產以來，鋰離子電池因具有高的比能量，長迴圈壽命，低自放電和綠色環保等一系列優點，受到當今社會的廣泛關注和大力發展。
一、基本原理
所謂鋰離子電池是指分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的活性物質作為正負極構成的二次電池。電池充電時, 鋰離子從正極脫嵌, 經過電解質嵌入負極，放電時，鋰離子則從負極脫出, 插入正極。
以將炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池為例。在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。
而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負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，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，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li-ion的充放電過程中，鋰離子處於從正極→負極→正極的運動狀態。li-ion batteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在搖椅來回奔跑。
所以li-ion batteries又叫搖椅式電池。
正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。
正極可選材料很多，目前主流產品多採用鋰鐵磷酸鹽
負極反應：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。
負極材料多採用石墨。
電池總反應：
鋰離子電池是由電極材料、電解質和隔膜等部分組成, 其效能在很大程度上取決於電池組成材料的效能和製備工藝，尤其是正極和負極材料。因此研究高能鋰離子電池的關鍵技術是採用在充放電過程中能可逆地嵌脫鋰離子的正、負極材料。
二、正負極材料
（一）正極材料
正極材料是鋰離子電池發展的關鍵技術之一，應滿足條件：①足在所要求的充放電範圍內, 與電解質溶液有電化學相溶性；②溫和電極過程動力學；③高度可逆性：④全鋰化狀態下在空氣中穩定性好。
目前，常用的正極材料層狀 limo2和尖晶石型lim2o4（m=co, ni, mn, v等過渡金屬離子）。
2.1.1 limo2型化合物
licoo2屬α-nafeo2型結構, 具有二維層狀結構, 適宜鋰離子脫嵌。由於其製備工藝簡便,效能穩定, 比容量高, 迴圈性好, 目前商品化鋰離子電池大都採用licoo2作為正極材料。但是由licoo2**較高, 且過充電時易導致不逆容量損失和極化電壓增大 , 因此人們不斷尋找和研究高比能, 低成本, 穩定性好的新型正極材料。
linio2比licoo2廉價，其結構與licoo2相近，它具有較好的高溫穩定性，低自放電率，與多種電解液有良好的相溶性，是繼licoo2後研究較多的層狀化合物。但linio2製備困難, 要在氧氣氣氛下合成, 工藝條件控制要求高,這些都影響了它在鋰離子電池中的應用, 如果通過摻入或mn或co等其它元素, 可得到較好的可逆性及較高的放電電位段。故linio2的製備研究仍吸引著眾多的研究者。
釩的**較鈷低, 亦能形成層狀化合物，但與licoo2 有所不同, 即當li+脫嵌時, 層狀的livo2變得不穩定, 在li1- xvo2中, 當x<0.3時, 約有1/3的釩離子從釩層遷入缺鋰層形成電化學活性很小的有缺陷的岩鹽結構, 從而破壞了鋰離子擴散用的二維平面, 且鋰離子不能再生成原有的層狀結構。
由於錳**廣泛, **不到鈷的10% , 且低毒, 易**, 各種嵌鋰的氧化錳材料備受重視。層狀的limno2一般用層狀的岩鹽結構化合物li2mno3 (li2omno2) 酸處理製備 ,與licoo2不同, 這種limno2屬正交晶系, 在2.5～4.
3v之間充電, 可逆容量為200mah·g-1左右,經過第一次充電,正交晶系的limno2轉變為尖晶石型的lixmn2o4。因這種limno2在空氣中穩定, 而尖晶石型的lixmn2o4在空氣中不穩定。
2.1.2尖晶石型lim2o4
尖晶石型的lim2o4 (m = mn,co,v等) 中lim2o4骨架是乙個有利於li+擴散的四面體與八面體共面的三維網路, 氧原子作立方緊密堆積, 75% 的m原子交替地位於立方緊密堆積的氧層之間, 餘下的25%m原子位於相鄰層, 因此,在脫鋰狀態下, 有足夠的m陽離子存在於每一層中, 以保持氧原子理想的立方緊密堆積狀態。
limn2o4是尖晶石型嵌鋰化合物的典型代表, 有眾多的研究者對其進行過廣泛而深入的研究。limn2o4具有三維隧道結構, 更適宜鋰離子的脫嵌, 同時也是正極材料中成本最低的, 其耐過充性及安全性也更好, 對電池的安全保護裝置要求相對較低。但是, 因為在加熱過程中易失去氧而產生電化學效能差的缺氧化合物，使高容量的limn2o4的製備較複雜，現在常用的合成方法有多步加熱固態合成法，溶液-凝膠法，沉澱法，pchini法等。
對於lico2o4，其在400℃左右製備的結構類似於尖晶石型的limn2o4,其放電電壓約比層狀licoo2低0.15v，迴圈效能差，這主要是因lico2o4並非理想的尖晶石結構, 但經過適當的酸處理後, 可以改善lico2o4的迴圈效能。
與livo2類似, 尖晶石型的liv2o4作為正極, 在鋰的脫嵌過程中, 結構從尖晶石變成有缺陷的岩鹽型, 約有1/9的釩離子從富釩層進入相鄰層而破壞了供鋰離子擴散用的三維空間而限制了該化合物的應用。然而, 由於**上的優勢, 嵌鋰的氧化釩仍受到人們關注, 採用新的製備方法,如模板合成法、水熱法以及摻入其它金屬離子或導電高分子材料，以設法穩定脫鋰狀態下的晶體結構及其充放電的可逆性, 將是推動嵌鋰氧化釩在鋰離子電池中應用的最有希望的途徑。
就目前而言，鋰電池正極材料仍以鈷酸鋰為主。 除了其結構穩定性佳、能量密度高的特性外。最早應用於可攜式電子裝置等小型電池領域也是一大原因。
此外， 隨著鋰電池**事件陸續發生後，正極材料研究重點轉向安全性開發。其中錳酸鋰電容量雖然較低，但其安全性較高，也讓其在大型鋰電池或動力電池市場滲透率逐年提公升，至於磷酸鋰鐵相較於鋰錳系具有更高的熱穩定性，在成本考量上也比鋰鈷氧化物更具優勢，使得磷酸鋰鐵和鋰錳系在未來鋰電池市場的應用備受期待。
（二）負極材料
鋰離子電池負極材料作為提高鋰離子二次電池能量及迴圈壽命的重要因素, 在世界範圍內得到了廣泛的研究。作為鋰離子電池負極材料應滿足以下要求：①在鋰離子的嵌入反應中自由能變化小、電位低；②鋰離子在負極的固態結構中有高的擴散率；③高度可逆的嵌入脫出反應；④有良好的電導率；⑤熱力學上穩定, 同時與電解質不發生反應。
常見的負極材料按成分劃分可分為碳材料和金屬氧化物材料。
2.2.1碳材料
石墨,是目前鋰離子電池最常用的負極材料。嵌鋰石墨屬離子型層間化合物, 理論容量為372mah·g-1, 鋰的嵌入與脫嵌反應發生在0～0. 25v之間, 具很好的電壓平台。
當前, 用嵌鋰石墨作負極時, 研究的焦點問題有: 不可逆容量損失的機理和抑制辦法, 以及石墨結構與電化學效能的關係。
所謂不可逆容量損失是指碳電極的鋰離子不能從碳電極中脫嵌, 這主要發生在第一次充放電迴圈，除了溶劑分解的因素外， 石墨電極本體內部的活性位點與鋰離子反應也是產生不可逆容量損失的原因。電解液中加入新增劑,如加入12-冠-4-醚, 可以抑制溶劑分解；而適度地氧化石墨，使石墨某些特殊位點產生奈米微孔, 可獲得良好的迴圈效能。此外在石墨負極中混入銀粉也可以改善迴圈效能。
通過採用上述方法的改進, 目前報道的石墨類碳材料的插鋰容量已達到300mah·g-1以上,並且其迴圈效能也較優異。
然而,石墨由於只形成lic6,其理論容量只有372 mah·g-1,，為提高鋰離子電池的能量和功率密度,奈米碳負極材料,比如碳奈米管(**ts)、石墨稀、介孔碳等已經被開發用作儲存li。
碳奈米管(**ts)是最典型的碳奈米結構，其電學效能優異，機械強度強，化學穩定好，比表面積高,活化比表面大。在**ts發現後不久人們就研究其在鋰離子電池方面的應用。對li蒸汽與**ts的反應研究並測試其對應的電化學效能表明,**ts可以在非石墨層與管內表面之間提供利於li插入的夾層。
小直徑的**ts可以在六邊形的平面鍵產生應變,這種應變引起電子離域和使得結構比週期性的石墨片更具有負電性,反過來增加li的嵌入程度。作為鋰離子電池負極材料的**ts可逆容量可以達到460 mahg-1人通過各種後續處理如球磨酸氧化等可以達到1116mahg-1。相對於石墨材料,**ts的容量有很大的提高,但是**ts中引入大量的結構缺陷和高電壓滯後,其庫倫效率低於石墨。
石墨稀,以乙個原子厚度為基本結構的二維單層碳。由於其具有優異的物理、化學、機械效能,比如超高的比表面、均一的多孔結構、寬的電化學視窗,吸引人們展開對其用作鋰離子電池負極材料的研究。鋰離子不僅能儲存石墨稀的兩側,還能在邊緣處、缺陷、位錯和石墨烯片的共價點處,這些使其具有較高的儲鋰容量。
通過剝落石墨方法的得到石墨烯材料具有高的比表面,通過預處理可得到的官能團修飾的表面。單位結構的石墨烯的聚集和石墨的無規則的排列提供了了更多的空隙。用化學法合成石墨烯奈米片用作鋰離子電池負極材料，其放電充電容量分別為945 mahg-1和650 mahg-1。
但是石墨烯基的負極材料有較高的充電/放電容量、較低的庫倫效率和大的不可逆容量，這種不可逆容量歸於li+與含氧官能團的反應和在氧化石墨處固體電解質的形成。另乙個原因是由於石墨烯高的表面積/體積使得嵌入其中的電解液增加而導致高的不可逆容量。
石墨稀與活性金屬(sn、si)或金屬氧化物(co3v4、fe3o4、mn3o4、cuo、sno2)奈米粒子的復合可以減少不可逆容量提高迴圈壽命。利用兩步液相反應法將mn3o4奈米顆粒負載到還原石墨烯片(rgo)上,測試其用於鋰離子電池負極材料的效能，發現其可逆容量高達900 mahg-1，即使在1600 mag-1的電流密度下其容量仍有390 mahg-1,表現了較高的可逆容量和較好的迴圈效能。因此,石墨烯和金屬或金屬氧化物奈米顆粒之間的協同效應可增加鋰儲存容量,改善迴圈效能和倍率容量。
介孔材料相對於傳統的石墨碳材料具有明顯高的容量。li+在0.1-0.
5 v的電壓範圍內脫出,其首次容量為3100 mahg-1人對應著li8.4c6化合物的生成。在100 mag-1的電流密度下,可逆容量為850-1100mahg-1對應於lixc6(x = 2.
3-3.0)的化學式。然而,介孔碳通常在充電放電曲線中表現出乙個較高的不可逆容量和磁滯現象,這是這類材料的特性,太大的比表面導致太多的活化點從而使得電極/電解液介面發生不可控反應。
在電化學上這些特性將阻礙其在鋰離子電池的應用。
鋰離子電池負極材料報告
part 1 鋰離子電池負電極材料介紹 目前，鋰離子電池所採用的負極材料一般都是碳素材料，如石墨 軟碳 如焦炭等 硬碳等。正在探索的負極材料有氮化物 pas 錫基氧化物 錫基氧化物 錫合金，以及奈米負極材料等。一 碳負極材料 碳負極鋰離子電池在安全和迴圈壽命方面顯示出較好的效能，並且碳材料價廉 無毒...
鋰離子電池負極材料市場分析
1 碳負極材料 碳負極鋰離子電池在安全和迴圈壽命方面顯示出較好的效能，並且碳材料價廉 無毒，目前商品鋰離子電池廣泛採用碳負極材料。眾所周知，碳材料種類繁多，目前研究得較多且較為成功的碳負極材料有石墨 乙炔黑 微珠碳 石油焦 碳纖維 裂解聚合物和裂解碳等.在眾多的用作碳負極的材料中，天然石墨具有低的嵌...
鋰離子電池原理及工藝流程
一 原理 1.0 正極構造 licoo2 鈷酸鋰 導電劑 乙炔黑 粘合劑 pvdf 集流體 鋁箔 正極 2.0 負極構造 石墨 導電劑 乙炔黑 增稠劑 cmc 粘結劑 sbr 集流體 銅箔 負極 3.0工作原理 3.1 充電過程 如上圖乙個電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,...