锂离子电池是由锂原电池改进发展而来的。锂原电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂,电池组装完成后无须充电既有电压。这种电池虽然也可充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以锂原电池是不允许充电使用的。以碳材料为负极的锂离子电池则可进行可逆反应,该反应不再是一般电池中的氧化还原反应,而是锂离子在充放电过程中可逆地在化合物晶格中嵌入和脱出反应。
1.锂离子电池的工作原理
锂离子电池的正负极都由可以嵌入和脱出锂离子的化合物或材料组成,一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极,如
等;负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括
锡复合氧化物
构成。下面以正极为钴酸锂
负极为碳化锂
的锂离子电池为例,说明锂离子电池的工作原理。在充放电过程中,锂离子可逆地在化合物晶格嵌入和脱出反应的过程如图7-7所示。
在电池充电时,
的一部分会从正极中脱出,经过电解质嵌入负极碳的层间,形成层间化合物。电池放电时,则进行与此相反的可逆过程,即
从负极脱出,经过电解质再嵌回正极。
锂离子在两电极之间来回嵌入和脱出的过程就是锂离子电池充放电的工作原理。所以,锂离子电池也称为“摇椅式电池”。
充电过程中正、负极的脱嵌反应方程式为
正极:
负极:
放电过程中正、负极的脱嵌反应方程式为
正极:
负极:
图7-7 锂离子反应示意图
2.锂离子电池的特点
锂离子电池具有以下优点。
(1)能量密度高。目前能达到的实际比能量为100～125Wh/kg和240～300Wh/cm3,随着技术的不断进步,锂离子电池比能量能够达到150Wh/kg和300～400Wh/cm3。
(2)输出电压高。单体锂离子电池的电压为3.6V,是镍—镉(Ni－Cd)或镍—金属氢化物(Ni－MH)电池的3倍。
(3)循环寿命长。锂离子电池循环寿命可达1000次以上,若使用小电流放电则更高。
(4)安全性能好。由于使用了优良的负极材料,克服了电池充电过程中锂枝晶的生长问题,使得锂离子电池的安全性大大提高,不存在诸如Ni－Cd或Ni－MH电池的“记忆效应”。
(5)自放电小。室温下充满电的锂离子电池储存1个月后的自放电率为10%左右。
(6)环保性能好。生产和使用过程中均无污染,称为绿色电池。
(7)充放效率高。充放效率可接近100%。
(8)可实现快速充电。
(9)工作温度范围宽。目前为－25～45℃,将来可达－40～70℃。
锂离子电池存在的主要不足之处如下:
(1)成本高。因钴(Co)材料的资源少,导致正极材料钴酸锂(LiCoO2)的价格高,电解质体系的提纯较难。
(2)须有特殊的保护电路。需设置对电池过充电和过放电的保护线路控制。电池过充电将破坏正极结构而影响性能和寿命,同时过充电也使电解液分解,内部压力过高而导致漏液等问题,故必须在4.1～4.2V的电压下充电;电池过放电会导致活性物质的恢复困难,也需要有保护线路控制。
