簡述鋰離子電池的工作原理

很多人的誤解是鋰離子電池中含有金屬鋰，其實它只是一種鋰離子化合物，在充電時正極分解鋰離子，電池的負極是碳。鋰離子從正極化合物中嵌入和釋放的過程是電池充放電的過程。一般人們用嵌入表示充電，用放電器表示放電。鋰離子在正極和負極之間來回插入和拔出的過程就是充放電的過程。因此，鋰離子電池也被稱為搖椅電池。

鋰離子電池充電:充電的過程是鋰離子出現和運動的過程，電池正極化合物出現大量的鋰離子，經過電解液，鋰離子從正極運動到負極。鋰離子電池的正極是由碳材料構成的，達到負極的鋰離子會被嵌入到碳材料的孔中，碳材料可以容納更多的鋰離子，電池可以容納的能量越大，也就是常說的容量(mAh)。

鋰離子電池放電:放電過程與充電過程相反，鋰離子從負極的碳材料孔中，返回正極。鋰離子返回正極的數量越多，電池使用的就越多，剩余的就越少。

鋰離子電池的電解質是電解質與電池中電極材料之間的相互用途。分解反應存在于電解液本身，它幾乎參與了電池中發生的所有反應過程。目前，鋰離子電池中含有的電解質多為有機體系。在過充、過放、短路、熱休克等濫用的情況下，電池溫度迅速升高，電解液一般易燃，經常導致電池起火甚至爆炸。目前，高容量動態鋰離子電池商業化的最大障礙是安全問題。因此，選擇合適的電解質體系也是鋰二次電池獲得高能量、長循環壽命和安全性能的關鍵之一。

電解質是電池的重要組成部分，它可以運輸離子并在正極和負極之間傳導電流。鋰離子電池電解質按其相態可分為液體電解質、固體電解質和熔鹽電解質。從鋰離子電池傳質實際要求出發，電解質必須滿足以下基本要求:

(1)離子電導率:電解質不具有電子電導率，但必須具有良好的離子電導率。在一般溫度范圍內，電解質的電導率在1×10-3~2×10-3s/cm之間。

(2)離子遷移數:電池中的電荷遷移依賴于離子遷移。較高的離子遷移數可以降低電極反應的濃差極化，使電池出現較高的能量密度和功率密度。鋰離子的理想遷移數應盡可能接近1。

(3)穩定性:當電解液與電極直接接觸時，盡量防止副反應的發生，這就要求電解液具有一定的化學穩定性和熱穩定性。

(4)機械強度:電解液要有足夠高的機械強度來滿足電池的大批量生產和包裝工藝。Li等將磷酸三甲酯(TMP)作為高壓電解液添加劑，以Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2作為電池的正極并進行試驗，結果表明，電解液中加入1%TMP，可以顯著提高電池的性能和循環性能。

為了防止傳統鋰離子電池存在的泄漏、易燃性、爆炸等安全問題，鋰二次電池電解液體系向固態發展。固體電解質，也被稱為快速離子導體，要高離子導電性、低電子導電性和低活化能。科學家們研究的固體電解質包括無機固體電解質、固體聚合物電解質、固液復合電解質等。在無機固體電解質中，Li+處于流動動力學狀態，并通過電解質中的孔洞和/或間隙位置進行遷移。