2011年第8期化学教育
知调介纽ii新型高效绿色能源：锂离子电池
邱玉凤江家发
(安徽师范大学化学与材料科学学院芜湖241000)
摘要锂离子电池又称“摇椅电池”，是一种新型高效绿色二次电池，其原理为电池中锂离子在
正负极间来回脱出和嵌入，这与普通二次电池不同。其基本构成材料为正极材料、负极材料、电解
质及隔膜，各种材料的性能直接影响锂离子电池的性能。
关键词锂离子电池工作原理电极材料性能特点电解质
‘手机、数码相机、笔记本电脑及电动汽车都有一
个共同点，就是它们都需要电池。随着现代信息技
术的发展、人们的环保意识的增强及便携式电源需
求的增加，对电池也提出了新的要求，而传统的含有
铅、镉等有毒金属的电池将日益受到限制。锂离子
电池具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电
小及无记忆效应等突出优点，近10年来得到了飞速
发展，是具有重要意义的高效绿色产品。
1锂离子电池的工作原理
锂离子电池(Lithium-IonBattery，LIB)又称锂
电池，是指以2种不同的能够可逆脱出和嵌入锂离
子的化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池
体系‘11。
放电——充电_卜隔离嘎．、I嗣奠嫩
o_l四l涮妇-——-l放电…l盘金晤段
—二lqPl威獭正搬材抖I电解质l饥№ff十I
圈1锂离子电池的充放电原理示意圈
锂离子电池正负极材料均采用锂离子可以自由
脱出和嵌入的具有层状或隧道结构的锂离子嵌入化
合物。在充电时，正极材料中的锂离子脱离正极穿
过隔膜向负极方向迁移，并最终嵌入负极材料中；在
放电时，负极材料中的锂离子从负极脱出并穿过隔
膜向正极方向迁移并嵌人正极材料中(见图1)。这
样，在充放电过程中，锂离子在正负极间“摇来摇
去”，而无金属锂析出。因此锂离子电池被称作“摇
椅电池”(RockingChairBattery)或“摇摆电池”
(SwingBattery)E2|。
以具有石墨化结构的碳为负极，氧化钴锂为正
极的锂离子电池为例，充电时其电极反应如下：
正极反应：LiCoOz—一Lil一；CoOz+xLi+4-xe一
负极反应：6C+xLi+4-xe一一Li：C6
总的反应：LiCoOz+6C—一Lil一，C002+L乙C6
放电时上述反应逆向进行。
2锂离子电池的基本结构
锂离子电池基本结构一般包括正极、负极、能传
导锂离子的电解质及把正负极隔开的隔膜。
2．1正极材料
正极材料决定了锂离子电池的容量，是锂离子
电池整个体系的锂源，所以选择合适的正极材料非
常重要。锂离子电池的正极材料主要可以分以下几
类，见表1。
裹l馒离子电池的正极材料
类别正极材料性能优点缺点
理论比容量为274mAh／g．实际比容量为较高的脱嵌锂比容价格高．有毒性。使用
LiC002140mAh／g左右．电池JF路电压在3．6V以上．量．I：艺相对简单置将减少
循环次数nr达l000次以上层状型
理论比窬量274mAh／g．实际比容量为不存在过兜放电的限结构不稳定．充放电LiNi()2过程巾易发生分解，
200mAh／g左右．I：作电JK范匍为2．5～4．1V制
制备条件复杂
理论比容量为148mAh／g．实际比容量为价格低廉环保．下作循环和存储时的容量尖晶石结构犁
“Mn2()4电JK高．易制备．结构
120mAh／g左右衰减稳定．易叫收
万方数据
·2·化学教育2011年第8期
续表
类别正极材料性能优点缺点
价格低，结构稳定，安电子电导率较低，循橄榄右结构型
IJFeP04理论比容量为170mAh／g环性能以及高倍率允全，环保，电位适中
放电性能较差
比容量高．可大鼍地钒氧系列、纳米材料
有机多硫化物比容量达到500mAh／g以上，聚充放电，适合做电动需进一步研究、改进其他系列、有机多硫化物、
合物的比容量高达300mAh／g汽车，混合电动汽车杂环聚合物
的动力电源
2．2负极材料合金”再到“嵌入化合物”及“纳米合金材料”的发
锂离子电池负极材料经历了从“纯金属锂”到“锂展‘3f，见表2所示。
表2锂离子电池负极材料的发展
负极材料金属锂锂合金(如Li—A1)碳材料(石墨)氧化物(如SnO)纳米合金(如纳米硅)
比容量／(mAh／g)34007903727002000
产乍时间1965197l198019951998
目前锂离子电池负极材料的研究很大程度上就
是负极嵌锂化合物的研究，锂离子电池的负极材料
主要分为碳素材料和非碳材料2大类，见表3所示。
锂离子电池碳素负极材料的研究主要集中在选择
合适的碳材料及其表面改性修饰上。如选用部分石墨
化的碳材料；用聚合物或无定形类碳材料包覆在石墨
米管等。以碳素材料作为锂离子电池的负极材料，能
在有机电解质溶液中碳表面形成让电子和锂离子自由
通过的钝化层(SEI)，保证了碳电极良好的循环性能，
但这种钝化层会引起严重的第一次充放电不可逆容量
损失，甚至引起碳电极内部的结构变化和电极接触不
良，因此一些电位与Lj+／u电对相近的其他非碳素负
类碳材料的表面；对石墨类碳材料进行掺杂使用碳纳极材料也成为锂离子电池研究的热点Ⅲ。
衷3锂离子电池负极材料
类别性能优点缺点
比容量可达300mAh／g以上，导电性好，结晶度高。良好的
石墨材料充放电效率在90％以上，不可层状结构，适合锂的脱出与嵌形成的SEI膜可引起碳电极
逆比容量低于50mAh／g入，放电电位低，放电电位曲内部的结构变化和电极接触
碳素型线平稳不良．非石墨材料还具有循环性能不好，较大的不可逆比容
硬碳石墨化程度低，晶粒尺寸小，电解液的相容性较好，软碳的量，充放电效率有待加强的缺
非石墨材料晶面距较大，比容量较高(500价格低廉点
软碳～900mAh／g)
氮化物、硅及醚化物、锡基硅系材料容鼍衰减快，锡基首
化物、新型合金、钛的氧化比容量高，储锂能力强，合金材料导电性及加]：性能好，安全性非碳素型次不可逆容缱较大，循环性能
物、铁的氧化物、钼的氧化高等需进一步改善
物，纳米材料等
目前手机、笔}己本电脑的电池一般为锂离子电
池，其电池常有如l200mAh的标记，代表电池容
量(含电量的多少)，电池容量一用电电流×可用时
间，当用电电流不变，电池容量越大，则可用时间越
长，这也是有些手机超长待机的奥秘之一。
2．3电解质
电解质作为电池的重要组成部分，在正、负极之
间起到输送离子与传导电流的作用，直接影响锂离
子电池的性能。锂离子电池的电解质主要分为液态
电解质与固态电解质2类。根据电解质的不同，锂
离子电池可分液态锂离子电池和固态锂离子电池。
2．3．1液态电解质
液态电解质一般由一种或多种离子电解质盐和
提供离子导电性的无水有机溶剂组成。
有机溶剂一般以碳酸酯为主。常用的有机溶剂
有碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲基碳酸
酯(DMC)、二乙基碳酸酯(DEC)、甲基乙烯碳酸
(MEC)、四氢呋喃(THF)、二乙氧基乙烷(DEE)以
及它们的二元或三元混合溶剂。电解质盐包括
LiCl04、I，iBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCF3S03和其他一
些新电解质盐。电解质盐要有高的离子电导率、稳
定的化学及电化学性能和可逆性等条件。
2．3．2固态电解质
固态电解质一般有聚合物固态电解质和无机固
态电解质2类。聚合物固态电解质主要有聚氧化乙
烯(PE0)、聚丙烯腈(R埘)、聚甲基丙烯酸酯(PM-
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2011年第8期化学教育·3。
MA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。在上述聚合物固态电
解质中，一般以聚合物为基体，掺人锂盐，锂盐解离后
产生离子对并进～步电离形成锂离子和阴离子。除
了符合上述机理的聚合物固态电解质外，还有一类将
阴离子固定在聚合物的主链上，形成单离子聚合物固
移数基本为1。聚合物固态电解质具有高能量长寿
命，高的可靠性和加T性等优点。但在实际使用时会
发生锂离子电导率降低及电化学性能不稳定等现象。
因此有关人员也研究了一些无机固态电解质，但无机
固体电解质存在价格较高，电导率偏低等缺点。部分
态电解质，这种电解质只发生锂离子的迁移，离子迁聚合物固态电解质电导率见表4所示。
裹4聚合物固态电解质在窒温下的电导率[s]
电解质组成(物质的量比)电导率／(S／cm)
PAN—LiCl(h—EC—PC21l8l38I331．1×10-S
PAN—LlAsF,一MEoC—EC—PC33．8l6l11．5l33．8l27．73．0×10—3
PMMA—I．iCl()．一EC—PC30l4．4l46．5l190．7×10-3
PMMA—Lin(CF3S02)2一EC—DMC25l5I50l20O．7×10-a
PE()一Lin(CF3S()2)2一PEGDME143l408{80．90．1×lO-S
PE0一Lin(CF3S(】2)2一PEGDME—PC18．7：6．6l56l18．71．9×10-S
2．4隔膜
隔膜是锂离子电池的重要组成部分，其性能决
定了电池的界面结构、内阻等，直接影响了电池的容
量、循环性能等特性。其作用：将电池的正负极分
开，防止短路；吸附电池中反应所必需的电解液，确
保高的离子电导率；防止对电池反应有害物质在电
极间迁移，保证电池发生异常时使电池反应停止，提
高电池的安全性能。
聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)3层合并成的隔膜。单层
PE膜可制造超薄的(16肚m以下)隔膜，但成本较
高。第二类PP与PE夹层膜，制作工艺复杂，但具
有较低的自闭温度(80～120℃)，其安全性比只用单
层膜要好。复合多层隔膜已经成为目前研究开发的
热点，隔膜的改进方向见表5所示。
目前，隔膜主要向着有较高的孔隙率、较低的电
阻、较高的抗撕裂强度、较好的抗酸碱能力和良好的
隔膜可分为2类：单层PE膜和用聚乙烯(PE)、弹性等特点的方向发展[6|。
裹5隔膜的改进方向[‘】
要求性能改进技术对电池性能的影响
采用相对分子质量大的聚合物。利用成形技术控制结晶性、结构强度高(薄化)容量高，防止短路，提高加T性
机械强度
离子透过性高(阻抗低)利用成形技术控制孔的形状、赢径和孔隙率等提高大电流充放电性能。改进循环性能
电流遮断性按要求不同，采用不同的聚合物或熔融点不同的聚合物复合材料提高电池的安全性
3锂离子电池的性能特点
锂是元素周期表中原子量最小(6．94)，密度最小
(O．534g／cn,13，20。C)，电化当量最小(O．26g／Ah)和
电池具有放电电压高、比能量高等特点，并且克服了
以往由于锂电池与电解质(或其中的杂质)反应，而致
使电池充放电效率降低，循环寿命减少及产生的枝晶
电极电位最负(一3．045V)的金属㈨。因此。锂离子锂可能穿透隔膜，造成电池内部短路等缺点。
裹6锂离子电池与其他二次电池主要性能对比裹
性能参数镉镍电池镍氯电池液态锂离子电池固态锂离子电池
丁作电压／V1．21．23．63．7
重量能量密度／(Wh／I【g)5065100～160120～170
体积能量密度／(Wh／l。)150200270～360300～460
循环寿命(次)300～600300700500l000>1000
自放电率／(％／月)25～300～356～93
容量低中高高
记忆效应有无无无
电池最量重重轻轻
(下转第19页)
万方数据
2011年第8期化学教育
力。我们认为，这是体现有效教学的核心标志。
教学内锌“探究点”』|f的‘lj趟”tfx,t-li,l觑l”的探究活动
IIf
线M地I：科学宋发现皇fj经所I．怎样的i：上程?
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论M题3：你的宋fj，哪些地方Jfj到r管j或镗t合盒?
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锚的化学¨匝让。爻蛤论证：九I’J求像．演小’虻验．学生史喻及i寸论
一备
嵌向纳社
圈4”铝和锅台金”的教学设计
本课中，夏老师针对3个探究点(铝的发现；铝
的物理性质；铝的化学性质)的差异采用了不同的教
学环节。第1、2个探究点突出“自主探究”的学习过
程，教学环节是“提供素材／自主探究一启发归纳／讨
论交流一总结评价／感悟提高”。比如，“铝的发现”，
第一环节，教师提供“丹麦科学家奥斯特、德国化学
家维勒”发现铝的故事素材，学生自主阅读感受素材
的基本内容；第二环节，教师提出两个问题(“科学家
发现铝经历了怎样的研究过程”、“科学家的研究过
程给我们怎样的启示”)，组织学生i,-t论、交流；同
时，教师根据情况及时进行点拨、归纳，引导探究深
入；第i环节，教师总结两点启示(第一，科学的道路
是坎坷不平的，只有不畏艰险、沿着科学高峰攀登的
人，才能达到光辉的顶点；第二，科学研究需要站在
巨人的肩膀上，有时需要几代人前赴后继地工作)，
并评价学生的表现；学生则在教师的总结评价中得
到心灵感悟和情感发展(第2个探究点“铝的物理性
质”，教师提供的素材是“铝的生活用途情境图”，教
学环节相同)。
第3个探究点“铝的化学性质”突出“引导探究”
的学习过程，教学环节是“问题／思考一引导／探究一
总结／提高”。比如，第1条性质“铝和氯气反应”，第
一环节，教师师提出问题“铝和氯气反应生成什么物
质、有哪些现象呢”，学生则思考问题、准备回答；第
二环节，教师播放自己做实验的录像，引导学生开展
探究活动，同时根据学生讨论进行适当点拨；第三环
di撇
节，教师总结结论(2AI+3C12--…---12AICI。)，板书实
验现象(发出耀眼的光芒，放}n大量的热)，学生则在
教师的总结中掌握知识、提高能力(其它化学性质，
“铝热反应”、“铝和氧气反应”，教师通过演示实验引
导开展探究活动；“铝和水反应”、“铝和氢氧化钠反
应”，教师通过组织学生小组实验来指导开展探究活
动。教学环节相同)。
夏老师在对每个问题实施有序的教学环节之
后，对其中蕴含的化学思想或方法进行了精心提炼
和总结。比如，第一个探究点(铝的发现)，夏老师总
结了两点案例启示“不畏艰难的科学精神”和“团队
合作的智慧力量”。第二个探究点(铝的物理性质)，
夏老师总结了学习方法“联系生活实际，用事实论据
说话”；第三个探究点(铝的化学性质)，夏老师总结
了研究方法“提出假设～实验论证一总结结论”。我
们坚信，思想方法永远是化学学习的精髓和有效学
习的标志。
3．1工作电压高．能量密度大
由于锂离子从碳材料品格中的脱出发生在接近
金属锂的电极电位(较锂电极电位略正)，且锂的过
渡金属氧化物(LiMn204、LiC002、I。iNi02)正极反
应的电极电位约在4．0V左右(相对锂电极)，因此
这种新型蓄电池具有高的工作电压，平均T作电压
高达3．6～3．8V。锂离子电池的重量能量密度和
体积能量密度均比较大。同重量的电池，锂离子电
池提供的能量比其他电池高，同容量的电池，锂离子
电池体积比其他电池小很多【7渭]。
3．2循环寿命长。自放电率小
锂离子电池循环寿命长。镉镍电池、镍氢电池的
充放电次数一般为300600次。而锂离子电池充
放电次数为500～1000次。固态锂离子电池则在
1000次以上。锂离子电池在首次充放电过程中会
在碳负极的表面形成一层固态电解质中间相膜
(SEI膜)。阻止了许多副反应的发生，使不同荷电状
态的电极活性物质处于相对稳定态，因此电池有较
低的自放电率，同样环境下锂离子电池保持电荷的
时间长【I·8j。
3．3无记忆效应．环保无污染
镉镍电池、镍氢电池有时使用了一半而不得不
放电后再充电，锂离子电池可随时补充充电，这样锂
离子电池的效能可得到充分发挥。锂离子电池的负
极是嵌锂碳材料，没有毒性，正极是锂的过渡金属氧
化物，毒性小，并且不含有Pd，Cd，Hg等有毒物质，
同时电池被很好地密封，整个电池形成一个封闭的
体系，不会对环境造成污染。
参考文献
Ez3胡广侠．锂离子电池充放电过程的研究．中国科学院研究生
院(上海微系统与信息技术研究所)，2002：2—7
[2]叶伟．锂离子电池碳负极及高容量18650型电池的下艺和性
能研究．湖南大学，2006：1
E33沙顺萍．锂离子电池电解质材料六氟磷酸锂的制备及性能研
究．中国科学院研究乍院(青海盐湖研究所)．2005：3—8
[4]徐国祥．大容置聚合物电极材料在二次锂电池中的应用研究．
天津大学．2004：23—25
[5]张世超．新材料产业．2004．(2)z40
[63伊廷锋．胡俯国．高昆．电池．2005．(6)z46
[7]李艳．锂离子电池循环寿命的研究．北京科技大学．2006t3
[83王海明．郑绳楦，刘兴顺．电气时代．2004．(3)t132—133
万方数据
新型高效绿色能源:锂离子电池
作者：邱玉凤，江家发
作者单位：安徽师范大学化学与材料科学学院,芜湖,241000
刊名：化学教育
英文刊名：CHINESEJOURNALOFCHEMICALEDUCATION
年，卷(期)：2011,32(8)
参考文献(8条)
1.李艳锂离子电池循环寿命的研究2006
2.伊廷锋;胡信国;高昆查看详情2005(06)
3.张世超查看详情2004(02)
4.徐国祥大容量聚合物电极材料在二次锂电池中的应用研究2004
5.沙顺萍锂离子电池电解质材料六氟磷酸锂的制备及性能研究2005
6.叶伟锂离子电池碳负极及高容量18650型电池的工艺和性能研究2006
7.胡广侠锂离子电池充放电过程的研究2002
8.王海明;郑绳楦;刘兴顺查看详情2004(03)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hxjy201108001.aspx
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