鋰離子電池工作原理

鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它重要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。

鋰離子電池放電是靠化學的氧化還原反應。放電時，也就是我們在使用電池消耗電量的時候，它的正極會嵌入鋰離子，負極鋰離子落嵌。充電的時候正好相反。他這種離子的得失會形成一定的電壓，使得電池出現電量。

鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為搖椅電池。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。

鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在10%以下。沒有記憶效應。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大。使用壽命長。沒有環(huán)境污染，被稱為綠色電池。

鋰離子電池的安全隱患

一般來說，鋰離子電池出現安全問題表現為燃燒甚至爆炸，出現這些問題的根源在于電池內部的熱失控，除此之外，一些外部因素，如過充、火源、擠壓、穿刺、短路等問題也會導致安全性問題。鋰離子電池在充放電過程中會發(fā)熱，假如出現的熱量超過了電池熱量的耗散能力，鋰離子電池就會過熱，電池材料就會發(fā)生SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應和負極與粘合劑的反應等破壞性的副反應。

1.正極材料的安全隱患

當鋰離子電池使用不當時，導致電池內部溫度的升高，使正極材料會發(fā)生活性物質的分解和電解液的氧化。同時，這兩種反應能夠出現大量的熱，從而造成電池溫度的進一步上升。不同的脫鋰狀態(tài)對活性物質晶格轉變、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大。

2.負極材料的安全隱患

早期使用的負極材料是金屬鋰，組裝的電池在多次充放電后易出現鋰枝晶，進而刺破隔膜，導致電池短路、漏液甚至發(fā)生爆炸。嵌鋰化合物能夠有效防止鋰枝晶的出現，大大提高鋰離子電池的安全性。隨著溫度的升高，嵌鋰狀態(tài)下的碳負極首先與電解液發(fā)生放熱反應。相同的充放電條件下，電解液與嵌鋰人造石墨反應的放熱速率遠大于與嵌鋰的中間相碳微球、碳纖維、焦碳等的反應放熱速率。

3.隔膜與電解液的安全隱患

鋰離子電池的電解液為鋰鹽與有機溶劑的混合溶液，其中商用的鋰鹽為六氟磷酸鋰，該材料在高溫下易發(fā)生熱分解，并與微量的水以及有機溶劑之間進行熱化學反應，降低電解液的熱穩(wěn)定性。電解液有機溶劑為碳酸酯類，這類溶劑沸點、閃點較低，在高溫下容易與鋰鹽釋放PF5的反應，易被氧化。