鋰離子電池

可充放電的蓄電池。具備電壓高、比能量大、循環壽命長、安全性能好等特點。

發展歷程

1970年，?？松镜腗.S.惠廷厄姆[注]發現以二硫化鈦（TiS2）作為正極材料，與金屬鋰匹配的電池電壓高達2伏。然而，由于金屬鋰活性高，枝晶生成與不可控生長導致了電池迅速失效，嚴重時可能引起爆炸，存在極大的安全隱患。1980年，J.B.古迪納夫[注]發現鈷酸鋰（LiCoO2）層狀材料，可將電壓提高到4伏。鈷酸鋰材料的研發是鋰離子電池領域的重大突破，仍是鋰離子電池的主力正極材料。1985年，日本科學家吉野彰[注]采用石油焦作為負極，匹配鈷酸鋰材料，發明了可用于商業的鋰離子電池。1991年，日本索尼公司正式發布了首個商用鋰離子電池。1997年，古迪納夫發現磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料具備高容量、高循環穩定性以及高安全性等特點，可以滿足鋰離子電池的要求，也是商業化正極材料之一。2000年以來，鋰離子電池發展進入新階段，開發兼備高安全性及高能量密度的鋰離子電池成為研究熱點?；萃⒍蚰?、古迪納夫、吉野彰也因發展鋰離子電池共同獲得2019年諾貝爾化學獎。 鋰離子電池主要組成包括正/負極材料、集流體、電解質、隔膜以及合適的電池外殼等（圖1）。常見的正極材料有磷酸鐵鋰（LiFePO4）、鈷酸鋰（LiCoO2）以及錳酸鋰（Li2MnO3）等。負極材料多采用石墨。正極集流體為鋁箔，負極集流體為銅箔。電解質包括聚合物類電解質以及非水系液態電解質。隔膜一般為多孔聚合物，既不影響鋰離子的輸運也能有效隔絕正負極直接接觸，避免工作狀態下發生的電池短路。

工作原理

電池充電過程中，鋰離子從正極材料中脫嵌，經電解質輸運通過隔膜向負極遷移，得到電子后嵌入負極材料晶格中（圖2）；放電過程中，負極材料嵌入的鋰會失去電子成為鋰離子，重新遷移到正極材料晶格中。

以LiFePO4和石墨負極匹配的鋰離子電池為例，其充電過程中反應如下，放電過程即為如下反應的逆過程。

?正極反應：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-?

?負極反應：xLi++xe-+C→LixC?

?電池總反應：LiFePO4+C→Li1-xFePO4+LixC