锂离子电池的原理与应用.pdf
饭疏食，饮水，曲肱而枕之，乐亦在其中矣。不义而富且贵，于我如浮云。——《论语》
锂离子电池的原理与应用
锂离子电池是目前应用最广泛的充电电池之一，其优点是具有
高能量密度、长寿命、环保等特点，被广泛应用于移动电子设备、
电动汽车、储能系统等领域。其原理是以锂离子作为电池正极活
性材料，负极常用石墨材料，电解液溶液通常是聚合物或有机碳
酸盐。本文将从锂离子电池的原理、材料、性能、应用等方面进
行阐述。
一、锂离子电池的原理
锂离子电池是一种储能器，出现于20世纪80年代初期，取代
了镍氢(NiMH)电池和镉镍(CdNi)电池，成为了目前移动电子设备
和电动汽车主要的能量来源。
锂离子电池正极采用高容量的锂离子化合物减少电池体积和重
量，负极材料常用石墨或锂合金。电池内部采用锂离子电解液进
行电解质，并通过电解液中的Li离子进行正负极之间的电荷平衡。
电流在从正极到负极或从负极到正极的过程中跨越电解质，并通
过电池终端执行外部电路的任务。
饭疏食，饮水，曲肱而枕之，乐亦在其中矣。不义而富且贵，于我如浮云。——《论语》
锂离子电池内部化学反应的方程式可以表示为：
$$ ext{正极:}LiCoO_2
ightarrowLi_{1-x}CoO_2+xLi^++xe^-
$$
$$ ext{负极:}C+Li^++e^-
ightarrowLiC$$
$$ ext{电解质:}LiPF_6,LiAsF_6,LiBF_4$$
当锂离子电池需要充电时，电流从外部电源经过电池终端，负
极中的锂离子释放出电子，进入电解液中扩散到正极，异极之间
的过度离子也跨越电解质回到负极。这使得电池的潜在化学反应
被逆转，锂离子与电子结合，重新流回负极。
二、锂离子电池的材料
1.正极材料
锂离子电池正极材料主要是钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂
(LiMn2O4)、三元材料NiCoMnO2和磷酸铁锂(LiFePO4)等。钴酸
锂是最早使用的正极材料之一，具有高能量密度和低内阻等性能，
但价格较贵，存在环保问题；锰酸锂价格相对便宜，但容量略低，
不过其具有优异的安全性能和化学稳定性；三元材料NiCoMnO2
饭疏食，饮水，曲肱而枕之，乐亦在其中矣。不义而富且贵，于我如浮云。——《论语》
能够由很多不同的原料产生，这使得其造价相对便宜，同时它具
有高能量密度，良好的循环稳定性和适中的电流输出性能。磷酸
铁锂的优点是安全性好、寿命长、价格低，但缺点是功率密度较
低、体积较大。
2.负极材料
锂离子电池负极通常采用石墨材料，是由石墨颗粒制成的。石
墨负极由于成分稳定，在大部分压力和温度下都相对稳定，而且
反应容易控制，从而成为了市场的主流。对于电池性能的影响因
素是石墨材料的制备工艺以及石墨粉体的颗粒大小和形态。为了
提高锂离子电池的能量密度和功率密度，一些新的负极材料也在
不断研究中，如硅(Si)、烯类材料等。
3.电解质
锂离子电池的电解质通常是有机物或无机物电解质溶液，如乙
二醇二甲醚酸酯(EC/DMC)、碳酸二甲酯(CMC)等。有机物电解质
具有流动性和导电性好、稳定性差、挥发性大等缺点，目前的研
究主要是考虑到安全性及稳定性等方面，使用聚合物电解质电池
有更好的安全性和稳定性。
饭疏食，饮水，曲肱而枕之，乐亦在其中矣。不义而富且贵，于我如浮云。——《论语》
三、锂离子电池的性能