|
一、锂离子电池的结构与工作原理
所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。
 
◎当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
◎做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2 ＋3x＋5y)/2)等。
◎电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。
◎隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。
◎外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。
 
二、锂离子电池的种类
根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。
液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。
它们的主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。
表 锂离子电池结构比较
|
|
电解质
|
壳体/包装
|
隔膜
|
集流体
|
|
液态锂离子电池
|
液态
|
不锈钢、铝
|
25μPE
|
铜箔和铝箔
|
|
聚合物锂离子电池
|
胶体聚合物
|
铝/PP复合膜
|
没有隔膜或个μPE
|
铜箔和铝箔
|
由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质不会象液体电液泄露，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄。也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50％以上。此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比液态锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。
三、锂离子电池结构的实验探究
研究对象：科健K98手机锂聚合物电池
1．结构解剖
（1）将电池从外壳中取出，用剪刀剪开密封外皮，并将外皮剥开。可以看到红色铜箔为负极集流体，银白色铝箔正极集流体。
 
（2）将塑料薄膜揭开，可以看到铜极、铝极表面均附有黑色物质。铜极、铝极与高分子膜交替出现组成了电池：…－铜箔（表面附有黑色物质CLix）－高分子膜－铝箔（表面附有黑色物质LiCoO2）－高分子膜－…
 
2．实验研究
|
步骤
|
现象
|
反应或解释
|
|
（1）取一片铜极，置于酒精灯上加热。
|
剧烈燃烧
|
4Li＋O2＝2Li2O
|
|
（2）取一片铝极，置于酒精灯上加热。
|
无明显现象
|
——
|
|
（3）用剪刀将铜极和铝极剪成小片。
|
——
|
——
|
|
（4）取一支试管，向其中加入两小片铜极，并加入少量蒸馏水。
|
有火光出现，放出大量气泡。
|
2Li＋2H2O＝2LiOH＋H2↑
|
|
（5）取部分步骤（4）得到溶液，注入到另一支试管中，滴加两滴酚酞。
|
溶液变为红色
|
溶液显碱性
|
|
（6）取一根洁净的铂丝，蘸取步骤（4）得到的溶液，置于酒精灯外焰上灼烧。
|
焰色为红色
|
Li的焰色
|
|
（7）取一支试管，向其中加入两小片铝极，并加入少量蒸馏水。
|
无明显现象
|
——
|
|
（8）取部分步骤（7）得到溶液，注入到另一支试管中，滴加两滴酚酞。
|
无明显现象
|
——
|
|
（9）向步骤（7）原试管中加入适量稀盐酸，振荡。
|
溶液逐渐变为红色
|
4LiCoO2＋12HCl＝4LiCl＋4CoCl2＋O2↑＋6H2O
Co3＋为强氧化剂，在水溶液中极不稳定，易氧化H2O转化为Co2＋，Co（III）只存在于固态和配合物中。[Co(H2O)6]2＋为粉红色。
|
|
（10）将上述红色溶液分别注入两支结晶试管中，向其中一支试管中加入适量浓盐酸。
|
溶液变为蓝色
|
[Co(H2O)6]2＋—→
[CoCl4]2－
|
欢迎下载：“锂离子电池结构探秘”实验过程
|
