关于新能源锂离子电池工作原理及特点研究

随着全球经济的发展，环境和能源的污染越来越严重，爆发出来的环境危机也越发的明显，全球气温逐年提升，雾霾问题也非常严峻。为了减少不必要的燃料污染，国家大力发展可持续能源。伴随着人们环保意识的加强，作为新能源的锂离子电池，一经推出立即受到广泛欢迎。锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等优点，已成为新能源电池应用领域研究热点。

锂离子电池工作原理

锂电池是指用２个能可逆的嵌入与脱嵌的锂离子化合物作为正负极构成的二次电池。锂离子电池按照正极材料、负极材料和电解液的不同，有不同的称谓，但其工作原理是相似的。如 图１所示。锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池。

锂电池主要由正极板、负极板、电解质、隔膜与外壳组成。其中，正极板上的活性物质一般选用Li_xCoO₂、Li_xNiO₂或者Li_xMn₂O₄，负极板上的活性物质一般选用锂碳层间化合物Li_xC₆。电解质采用LiPF₆和LiAsF₂的乙烯碳酸酯(EC)、丙烯碳酸酯(PC)和低黏度二乙基碳酸酯(DEC)等烷基碳酸酯搭配的混合溶剂体系。隔膜采用聚烯微多孔膜PE、PP或他们的复合膜。外壳采用钢或者铝材料。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入。当电池放电时，锂离子从负极中脱嵌，在正极中嵌入。正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层间距变化，像摇椅一样，又叫“摇椅电池”。锂离子电池的电极反应表达式分别为

正极反应式：

LiMO₂→Li_1-xMO₂+xLi⁺ +xe(1)

负极反应式：

nC+xLi⁺ +xe→Li_xC_n(2)

电池总反应式：

LiMO₂+nC→Li_1-xMO₂+ Li_xC_n (3)

式中：M为Co、Ni、W、Mn等金属元素。

锂离子电池的特点

锂离子电池的主要特点表现为：①比能量高，锂离子电池的质量比能量和体积比能量分别达到120~200 W·h/kg和300 W·h/L以上，在目前的蓄电池中是最高的；②放电电压高，放电电压平台一般在3.2~4.2V以上 (钛酸锂电池除外)；③自放电低，在正常存放情况下，锂离子电池的月自放电率通常仅为5%左右;④循环寿命长，无记忆效应，普通锂二次电池在100%的放电深度(Depth of Discharge，DOD)下，充放电可达500次以上，磷酸铁锂电池和以钛酸锂为负极的电池循环寿命分别超过2000次和5000次;⑤充放电效率高，电池循环充放电过程中的能量转换效率可达到90%以上；⑥工作温度范围宽，一般工作范围为-20~45℃，钛酸锂负极电池甚至可在-40℃下工作。

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