锂离子电池的作用原理？锂离子电池是如何产生电的？

锂离子电池 （Lithium-ion battery）是一种可重复充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有： 锂钴氧化物（LiCoO 2 ）、锰酸锂（LiMn2O 4 ）、镍酸锂（LiNiO 2 ）及磷酸铁锂（LiFePO 4 ） 。

此外，锂离子电池容易与下面两种电池混淆：

一、 锂电池（Lithium battery） ：虽然常常用作为锂离子电池的简称，但严格意义的锂电池是锂原电池，内含纯态的锂金属，为一次性使用、不可充电。

二、 锂离子聚合物电池（Lithium-ion polymer batteries，也常称为“锂聚合物电池”） ：大致上其实也是锂离子电池，是普通锂离子电池的改良，利用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂的可充电锂离子电池，其安全性较好不会爆炸，且可以塑造各种不同形状的电芯，成为了现在的主流形式电池。

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锂离子电池的优点

1、电压高：单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V、，是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。

2、比能量大：能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3-4倍于Ni-Cd，2-3倍于Ni-MH、，已接近于其理论值的约88%。

3、循环寿命长：一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到8000次。对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。

4、安全性能好：无公害，无记忆效应。作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素；部分工艺（如烧结式、的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。

5、自放电小：室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。

6、快速充电：1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。

7、工作温度：工作温度为-2545°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-4070°C。

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锂离子电池的缺点

1、衰老：与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数有关，也与温度有关。这种衰退的现象可以用容量减小表示，也可以用内阻升高表示。因为与温度有关，所以在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。

2、回收率：大约有1%的出厂新品因种种原因需要回收。

3、不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命短。

4、不耐受过放：过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。

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锂离子电池的种类

根据正极所用的金属材料的不同，锂离子电池分为几个种类。最初锂离子电池的正极所用的金属材料是钴。不过钴的产量几乎与锂同样少，也是稀有金属，制造成本高。因此开始使用廉价且环境负荷小的材料，例如锰、镍、铁等金属。锂离子电池按其所使用的材料而分类，下面来看看各种类分别都有哪些特点

钴系锂离子电池:

正极使用钴酸锂。钴酸锂比较容易合成，便于使用，因而锂离子电池最早量产的是钴酸锂离子电池。但由于钴是稀有金属，价格昂贵，几乎没有被用于汽车零件。

锰系锂离子电池:

正极使用锰酸锂。优点是电压能与钴系锂离子电池差不多，而且制造成本廉价。缺点是充放电中锰可能会熔化于电解质，缩短电池的寿命。

磷酸铁系锂离子电池

正极使用磷酸铁锂。磷酸铁系锂离子电池的优点在于即使内部发热结构也难以损坏，安全性高，而且以铁为原料，制造成本比锰系更低。但是电压比其他的锂离子电池低。

三元系锂离子电池

三元系锂离子电池是为了减少钴的用量，使用钴、镍、锰三种材料制造的电池。现在三元系锂离子电池大多镍的比例较高。虽然电压比钴系、锰系略低，但能减少制造成本。不过虽说如此，各个材料的合成制备较难，稳定性低等。

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锂离子电池的电化学

和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。习惯上，锂离子进入正极材料的过程叫“嵌入”，离开的过程叫“脱嵌”；锂离子进入负极材料的过程叫“插入”，离开的过程叫“脱插”。

正极半反应是：

负极半反应是：

总体反应有局限性。过放电supersaturates锂钴氧化物，导致产生的氧化锂，可能是由以下的不可逆反应

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锂离子电池的产生电的工作原理

电池里有使用金属材料的正电极（正极）和负电极（负极），借由离子而导电的物质（电解质）充满在正负极之间。金属电极被电解质熔化，分为离子和电子，电子从负极向正极移动产生电流，这时便产生电。二次电池是在开始使用电池之前通过充电，预先将电子储蓄在负极，使用电池时储蓄的电子向正极移动从而产生电。

锂离子电池是预先在正极使用含锂金属化合物，负极使用能吸储锂的碳(石墨)。通过这样的结构，无须如传统电池一般由电解质熔化电极就能发电，从而减缓了电池本身的老化，不仅能储蓄更多的电，充放电的次数也得以增加。此外，锂是非常小而轻的物质，从而能使电池具有小型轻量化等各种优点。

锂离子电池中的电解液可以是凝胶体、聚合物（锂离子/锂聚合物电池）、或凝胶体与聚合物的混合物。因为目前尚未发现能够在室温条件下有效运送锂离子的聚合物，所以大多数的“塑胶封袋”锂离子/ 锂聚合物电池事实上都是结合凝胶体和聚合物的混合型电池。

正极或负极必须具有类似海绵的物理结构，以释放或接收锂离子。在放电时，锂离子从负极材料移出至电解液，再像水进入海绵一样地进入正极材料，这个过程被称为嵌入(Intercalation)。充电的过程则完全相反。

正极

正极材料：可选的正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

充电时：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe−

放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe− → LiFePO4

负极

负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。

充电时：xLi+ + xe− + 6C → LixC6

放电时：LixC6 → xLi+ + xe− + 6C

电解质溶液

溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂（LiClO4）、六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）。

溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜（solid electrolyte interphase，SEI）导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。