当今社会，锂离子电池分布在我们生活的每一个角落，大到电动汽车、电动公交车、旅游观光车、无人机, 小到手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表等等，下面学习一下锂电池基本知识。

  • 基本原理
  • 工作原理
  • 基本构成
  • 完整构成
  • 制作工艺

基本原理

    如何选择能量的载体

  • 要想成为好的能量载体，就要以尽可能小的体积和重量，存储和搬运更多的能量。因此，需要满足下面几个基本条件：
  1. 原子相对质量要小
  2. 得失电子能力要强
  3. 电子转移比例要高
  • 基于这3项基本原则，元素周期表上面的元素比下面的元素要好，左边的元素比右边的元素要好。
  • 初步筛选，我们只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氢、氦、锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性气体和氧化剂，只剩下氢、锂、铍、硼、碳，这5个元素
  • 氢元素是自然界最好的能量载体，所以氢燃料电池的研究一直方兴未艾，代表了电池领域一个非常有前途的方向
  • 接下来就是锂了，选择锂元素来做电池，是基于地球当前的所有元素中，我们能够找到的相对优解(铍的储量太少了，是稀有金属中的稀有金属)。氢燃料电池与锂离子电池的技术路线之争，在电动汽车领域打的如火如荼，大概就是因为这两种元素，是我们目前能够找到的比较好的能量载体

  锂电池工作原理

  • 参见：
  • 在每一次充放电循环过程中，锂离子(Li+)充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极→负极→正极来回的移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷的转移，这就是“锂离子电池”的基本原理

 锂电池的基本构成

  • 锂离子电池内部需要包含几种基本材料：正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质
  • 正负极不难理解，要实现电荷移动，就需要存在电位差的正负极材料
  • 活性物质：我们知道，电池实际上是将电能和化学能相互转换，以实现能量的存储和释放。要实现这个过程，就需要正负极的材料很“容易”参与化学反应，要活泼，要容易氧化和还原，从而实现能量转换，所以我们需要“活性物质”来做电池的正负极。
  • 上面已经提到，锂元素是我们做电池的优选材料，那么为什么不用金属锂来做电极的活性物质呢？这样不是可以达到最大的能量密度吗？正负极材料不但要活泼，还要具有非常稳定的结构，才能实现有序的，可控的化学反应。不稳定的结果是什么？想想汽油燃烧和炸弹爆炸，能量剧烈释放，这个化学反应的过程实际上是无法人为去精确控制的，于是化学能变成了热能，一次性把能量释放完毕，而且不可逆。 金属形态存在的锂元素太“活泼”了，调皮的孩子多半都不听话，喜欢搞破坏。早期针对锂电池的研究，确实是集中以金属锂或其合金作为负极这个方向，但是因为安全问题突出，不得不寻找其他更好的路径。近年来，随着人们对能量密度的追求，这个研究方向又有“满血复活”的趋势
  • 为了实现能量存储和释放过程中的化学稳定性，即电池充放电循环的安全性和长寿命，我们需要一种电极材料，在需要活泼的时候活泼，在需要稳定的时候稳定。经过长期的研究和探索，人们找到了几种锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料，作为电池正极或负极的活性物质，解决了上述问题
  • 当然，在解决了稳定性问题的同时，也带来了严重的“副作用”，就是作为能量载体的锂元素占比大大降低，能量密度降了不止一个数量级，有得必有失，自然之道啊
  • 负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质，也是遵循上述的原则，既要求是好的能量载体，又要相对稳定，还要有相对丰富的储量，便于大规模制造，找来找去，碳元素就是一个相对优解
  • 电解质：通俗的讲，就是游泳池里面的“水”，让锂离子能够自由的游来游去，所以呢，离子电导率要高(游泳的阻力小)，电子电导率要小(绝缘)，化学稳定性要好(稳定压倒一切啊)，热稳定性要好(都是为了安全)，电位窗口要宽。基于这些原则，经过长期的工程探索，人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。有机溶剂有PC(碳酸丙烯酯)，EC(碳酸乙烯酯)，DMC(碳酸二甲酯)，DEC(碳酸二乙酯)，EMC(碳酸甲乙酯)等材料。电解质锂盐有LiPF6，LiBF4等材料。
  • 隔离膜：则是为了阻止正负极材料直接接触而加进来的，我们希望把电池做的尽可能的小，存储的能量尽可能的多，于是正负极之间的距离越来越小，短路成为一个巨大的风险。为了防止正负极材料短路，造成能量的剧烈释放，就需要用一种材料将正负极“隔离”开来，这就是隔离膜的由来。隔离膜需要具有良好的离子通过性，主要是给锂离子开放通道，让其可以自由通过，同时又是电子的绝缘体，以实现正负极之间的绝缘。目前市场上的隔膜主要有单层PP，单层PE，双层PP/PE，三层PP/PE/PP复合膜等

锂离子电池的完整材料构成

  • 要想把锂离子电池从实验室的一个“实验品”变成一个可以商业化应用的产品，还需要其他一些不可或缺的材料
  • 电池的正极: 除了活性物质之外，还有导电剂和粘结剂，以及用作电流载体的基体和集流体(正极通常是铝箔)。粘结剂要把作为活性物质的锂金属氧化物均匀的“固定”在正极基带上面，导电剂则要增强活性物质与基体的电导率，以达到更大的充放电电流，集流体负责充当电池内外部的电荷转移桥梁
  • 负极：其构造与正极基本相同，需要粘结剂来固定活性物质石墨，需要铜箔作为基体和集流体来充当电流的导体，但因为石墨本身良好的导电性，所以负极一般不添加导电剂材料
  • 一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、壳体(铝，钢，复合膜等)，以及其他一些辅助材料

制作工艺

  • 根据极片装配方式的不同，通常有卷绕和叠片两种工艺路线
  • 叠片工艺:是将正极、负极切成小片与隔离膜叠合成小电芯单体，然后将小电芯单体叠放并联起来，组成一个大电芯的制造工艺，其大体工艺流程如下
  • 卷绕工艺是将正负极片、隔离膜、正负极耳、保护胶带、终止胶带等物料固定在设备上，设备经过放卷完成电芯制作
  • 卷绕工艺如下图
  • 锂离子电池的常见外形主要有圆柱形和方形，根据壳体材料不同，又有金属外壳和软包外壳等,如下图：