锂电池原理及工艺流程

锂离子电池原理及工艺流程
一、原理
1.0 正极构造
LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）正极
2.0 负极构造
石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体（铜箔）负极
3.0工作原理
3.1 充电过程
如上图一个电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为
LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)
负极上发生的反应为
6C+XLi++Xe=====LixC6
3.2 电池放电过程
放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。

由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。

电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

二、工艺流程
1、基本工作原理
1）、正极反应：LiCoO2 ===== Li1-xCoO2 + x Li+ + xe-
2）、负极反应：6C + x Li+ + xe- ===== LixC6
3）、电池反应：LiCoO2 + 6C ====== Li1-xCoO2 + LixC6
4）、电池的电动势：
（1）、定义：在没有电流的情况下，电池正、负极两端的电位差。

（2）、影响因素：由电极材料决定，不受其它任何辅助材料影响。

2、电压特性
1）、开路电压：用电压表直接测量的正、负极两端的电压。

E = V – I R
2）、工作电压范围：2.75 ~ 4.2 volt。

3）、额定电压：3.6 volt。

4）、平均工作电压: 3.72 volt。

5）、影响电压特性的基本因素
（1）、电极材料；（2）、电极配方；（3）、电池设计；
3、工作电流：
1）、电极的极化：由于电池电极上有电流通过，导致电极电位偏离平衡状态。

a、欧姆极化：电池材料的电阻影响。

b、电化学极化：得失电子的难易，导致电极电位偏离平衡状态。

c、浓差极化：由于离子迁移速度慢，导致电极电位偏离平衡状态。

2）、极化与电流的关系：ie < ir < ic
2）、工作电流的确定：《ic；2-3 mA/cm2；
3）、影响工作电流的因素
（1）、电极配方，导电材料性能、用量、粘合剂用量。

（2）、极片的面积；
（3）、极片压实密度；
（4）、钝化膜的厚度；
化学电源在实现能量的转换过程中，必须具有两个必要的条件：
一. 组成化学电源的两个电极上进行的氧化还原过程，必须分别在两个分开的区域进行，这一点区别于一般的氧化还原反应。

二. 两电极的活性物质进行氧化还原反应时所需电子必须由外线路传递，这一点区别于金属腐蚀过程的微电池反应。

为了满足以上的条件，任何一种化学电源均由以下四部分组成：
1、电极电池的核心部分，它是由活性物质和导电骨架所组成。

活性物质是指正、负极中参加成流反应的物质，是化学电源产生电能的源泉，是决定化学电源基本特性的重要部分。

对活性物质的要求是：
1）组成电池的电动势高；
2）电化学活性高，即自发进行反应的能力强；
3）重量比容量和体积比容量大；
4）在电解液中的化学稳定性高；
5）具有高的电子导电性；
6）资源丰富，价格便宜。

2、电解质电池的主要组成之一，在电池内部担负着传递正负极之间电荷的作用，所以势一些具有高离子导电性的物质。

对电解质的要求是：
1）稳定性强，因为电解质长期保存在电池内部，所以必须具有稳定的化学性质，使储藏期间电解质与活性物质界面的电化学反应速率小，从而使电池的自放电容量损失减小；
2）比电导高，溶液的欧姆压降小，使电池的放电特性得以改善。

对于固体电解质，则要求它只具有离子导电性，而不具有电子导电性。

3、隔膜也叫隔离物。

置于电池两极之间。

隔膜的形状有薄膜、板材、棒材等。

其作用是防止正负极活性物质直接接触，造成电池内部短路。

对于隔膜的要求是：
1）在电解液中具有良好的化学稳定性和一定的机械强度，并能承受电极活性物质的氧化还原作用；
2）离子通过隔膜的能力要大，也就是说隔膜对电解质离子运动的阻力要小。

这样，电池内阻就相应减小，电池在大电流放电时的能量损耗减小；
3）应是电子的良好绝缘体，并能阻挡从电极上脱落活性物质微粒和枝晶的生长；
4）材料来源丰富，价格低廉。

常用的隔膜材料有棉纸、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维、水化纤维素、接枝膜、尼龙、石棉等。

可根据化学电源不同系列的要求而选取。

锂离子电池对使用条件的要求也比较特殊，它要求将电压控制在 2.5~4.2V/单体。

如果使用时电压太低，会降低电池的使用寿命，充电时电压过高可能会引起爆裂。

所以锂离子电池不能单独使用，必须配上电子保护线路以保证它工作在允许的范围之内，这样才能保证锂离子电池的安全性并有效的延长使用寿命。

由于锂离子电池的特殊性，它对充电器的要求也相当高，锂离子电池最理想的充电方式为恒流恒压方式，先以恒流充电至4.2V/单体，然后转为恒压充电。

当电流小到一定程度后充电结束。

锂离子电池对充电器的电压精度要求较高。

电压少于额定（4.2V）0.1V就会导致充电不足，约少充15%左右的电量。

电压超过额定（4.2V）0.1V又会引起过充，影响电池的安全性能。

A.锂离子电池的主要构成
（１）电池盖
（２）正极－－－－活性物质为氧化钴锂
（３）隔膜－－－－一种特殊的复合膜
（４）负极－－－－活性物质为碳
（５）有机电解液
（６）电池壳
Ｂ. 锂离子电池的优越性能
我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镉镍电池（Ni/cd)和氢镍电池（Ni/cd)来讲的。

那么，锂离子电池究竟好在哪里呢？
（１）工作电压高（２）比能量大（３）循环寿命长（４）自放电率低（５）无记忆效应（６）无污染
Ｃ.锂动力电池的组装过程
锂动力电池的工艺及技术要求非常严格、复杂，这里只能简单介绍一下其中的几个主要工序。

（１）制浆
用专门的溶剂和粘贴剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。

（２）涂膜
将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正极极片和负极极片。

（３）装配
按正极片－隔膜－负极片－隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，再经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。

（４）化成
用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。

Ｄ. 锂离子电池的安全特性
锂动力电池已非常广泛地应用于人们的日常生活中，所以它的安全性能绝对应该是锂离子电池的第一项考核指标。

对于锂动力电池安全性能的考核指标，国际上规定了非常严格的标准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足以下条件。

（１）短路：不起火，不爆炸；
（２）过充电：不起火，不爆炸
（３）热箱试验：不起火，不爆炸（150℃恒温10min）
（４）针刺：不爆炸（用直径３mm钉穿透电池）
（５）平板冲击：不起火，不爆炸（10kg重物自１米高处砸向电池）
（６）焚烧：不爆炸（煤气火焰烧烤电池）
Ｅ. 锂离子电池是一种新型绿色环保电池
新型绿色环保电池是指近年来已投入使用或正在研制开发的一类高性能、无污染的电池。

目前已经大量使用的锂动力蓄电池、金属氢化物镍蓄电池和正在推广使用的无汞缄性锌锰电池以及正在研制开发的锂或锂离子塑料蓄电池、燃料电池、电化学贮能超级电容器都属于新型绿色环保电池的范畴。

此外，目前已广泛应用的利用太阳能进行光电转换的太阳电池（又称光伏发电），也属于这一范畴。