鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。

鋰電池即鋰金屬電池，一般是指使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。放電反應(yīng)為：Li+MnO2=LiMnO2。然而，通常金屬態(tài)的鋰非常活潑，會(huì)與電解質(zhì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，導(dǎo)致電解質(zhì)過(guò)熱，甚至導(dǎo)致燃燒。由于金屬鋰的安全問題尚未完全突破，目前商用化的鋰系電池均為鋰離子電池。

鋰離子電池工作原理

鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），主要依靠鋰離子在正負(fù)極之間的往返嵌入和脫嵌來(lái)工作，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放。

以鈷酸鋰正極、石墨負(fù)極系鋰離子電池為例：充電時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，正極材料LiCoO2分子中的鋰元素脫離出來(lái)，成為帶正電荷的鋰離子Li+，從正極移動(dòng)到負(fù)極，與負(fù)極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，從而“穩(wěn)定”的嵌入到層狀石墨負(fù)極中。放電時(shí)相反，內(nèi)部電場(chǎng)轉(zhuǎn)向，Li+從負(fù)極脫嵌，順電場(chǎng)方向，回到正極，重新成為鈷酸鋰分子LiCoO2，這樣的工作原理被形象的稱為“搖椅電池”。參與往返嵌入和脫嵌的鋰離子越多，電池可存儲(chǔ)能量越大。

LiCoO2/C系鋰離子電池工作原理

LiCoO2/C系鋰離子電池充放電反應(yīng)式

鋰離子電池結(jié)構(gòu)與材料

鋰離子電池有著能適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的各種形狀和構(gòu)造，其主要構(gòu)成均為正極、負(fù)極、隔膜、電解液及外殼。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖：

a.圓柱型鋰離子電池

b.方型鋰離子電池

c.紐扣鋰離子電池

d.薄膜鋰離子電池

(圖片出處：JM,ArmandM.Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries[J].Nature,2001,414(6861):359-367.)

正極

為了實(shí)現(xiàn)上述能量存儲(chǔ)與釋放的功能，正極材料需要有穩(wěn)定的電化學(xué)性能，不易分解的結(jié)構(gòu)，較高的氧化還原電位和越高越好的比容量，經(jīng)過(guò)產(chǎn)學(xué)界長(zhǎng)期的研究和探索，現(xiàn)已付諸商用的正極材料有：磷酸鐵鋰（LFP）、鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）以及三元材料：鎳鈷錳酸鋰（NCM）、鎳錳鋁酸鋰（NCA）等。正極材料占鋰離子電池成本30%--40%，直接影響鋰離子電池的能量密度和性能。

磷酸鐵鋰

圖注：其穩(wěn)定的橄欖石結(jié)構(gòu)，有助于在充放電即鋰離子的脫出與嵌入過(guò)程中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，不出現(xiàn)晶格坍塌。

（圖片來(lái)源：Chem.Mater.,Vol.22,No.3,2010）

在實(shí)際應(yīng)用中，完整的鋰離子電池正極結(jié)構(gòu)除上述活性物質(zhì)嵌鋰化合物外還包括導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體。粘結(jié)劑將上述正極材料“固定”在正極基帶上，導(dǎo)電劑增強(qiáng)活性物質(zhì)與基體的電導(dǎo)率，以達(dá)到更大的充放電電流，集流體負(fù)責(zé)充當(dāng)電池內(nèi)外部的電荷轉(zhuǎn)移橋梁。

負(fù)極

負(fù)極材料需由相對(duì)于鋰電極電勢(shì)更低的材料構(gòu)成，并具有高比容量和較好的充放電可逆性，從而在嵌鋰的過(guò)程中保持良好的尺寸和機(jī)械穩(wěn)定性。

目前商用負(fù)極活性物質(zhì)以碳材料石墨類為主。然而，常規(guī)石墨負(fù)極材料的容量和倍率性能已經(jīng)難以滿足鋰離子電池下游產(chǎn)品的需求。硅-碳(Si-C)復(fù)合材料為代表的新型高容量負(fù)極材料是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

負(fù)極的結(jié)構(gòu)與正極基本相同，使用粘結(jié)劑來(lái)固定活性物質(zhì)，使用銅箔作為基體和集流體來(lái)充當(dāng)電流的導(dǎo)體，由于石墨本身具有良好導(dǎo)電性，一般無(wú)需添加導(dǎo)電劑材料。

電解液

電解液在正負(fù)電極間起到運(yùn)輸電荷的作用，它影響著鋰離子電池的能量密度、功率密度、寬溫應(yīng)用、循環(huán)壽命、安全性能等因素。理想的電解液應(yīng)具有高的離子電導(dǎo)率，寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口（0-5V）不與集流體和恬性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，和好的熱穩(wěn)定性以實(shí)現(xiàn)更大的工作溫度范圍，且安全、無(wú)毒、無(wú)污染。

基于這些原則，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程探索，人們找到了由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、和必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的電解液。

隔膜

我們希望電池的存儲(chǔ)能量盡可能多而體積盡可能小，于是正負(fù)極之間的距離越來(lái)越小，短路成為一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止正負(fù)極材料短路，造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負(fù)極“隔離”開來(lái)，這就是隔膜的由來(lái)。

隔膜的孔徑需滿足良好的離子通過(guò)性，吸液保濕能力強(qiáng)，保持離子導(dǎo)電性；同時(shí)具有電子絕緣性，以實(shí)現(xiàn)正負(fù)極之間絕緣的機(jī)械隔離，此外應(yīng)有足夠的穿刺強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能及耐腐蝕性和足夠的電化學(xué)穩(wěn)定性。目前市場(chǎng)上的隔膜主要采用聚烯微多孔膜如PE、PP或其復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低，而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到了熱保險(xiǎn)作用。

除了以上材料外，一個(gè)完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體（鋁，鋼，復(fù)合膜等），以及其他輔助材料。

鋰離子電池制作工藝

鋰離子電池的制備工藝包括：電極制片電芯裝配激活檢測(cè)PACK電池組裝。

電極制片

極片是電池結(jié)構(gòu)中最核心的部分，直接影響電池性能。

極片制作要求粒度分布均勻、極片涂布均勻、分切后極片無(wú)毛刺，無(wú)變形，無(wú)粉塵影響、以及高效節(jié)能、自動(dòng)化的生產(chǎn)技術(shù)。

電芯裝配

卷繞/疊片：極片卷繞/疊片為電芯；

注液：在卷繞的極片中加入電解液；

封裝：焊接正負(fù)極片，蓋帽等；

電芯烘烤：除水，水分影響電池性能。

激活檢測(cè)

檢測(cè)：短路檢測(cè)，殼體缺陷檢測(cè)，容量、內(nèi)阻、內(nèi)壓、自放電、安全性能、循環(huán)性能檢測(cè)等；

化成：首次充電激活電池；

分容：將電池進(jìn)行一致性篩分，一致性差的電池一起使用對(duì)電池?fù)p害較大。