【干货】一文读懂锂离子电池的全貌-第2页-北极星储能网

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要实现上述的功能，锂离子电池内部需要包含几种基本材料：正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质。下面做简单论述，这些材料都是干嘛的。

正负极不难理解，要实现电荷移动，就需要存在电位差的正负极材料，那么什么是活性物质？我们知道，电池实际上是将电能和化学能相互转换，以实现能量的存储和释放。要实现这个过程，就需要正负极的材料很“容易”参与化学反应，要活泼，要容易氧化和还原，从而实现能量转换，所以我们需要“活性物质”来做电池的正负极。

上面已经提到，锂元素是我们做电池的优选材料，那么为什么不用金属锂来做电极的活性物质呢？这样不是可以达到最大的能量密度吗？

我们再看上面这张图，氧（O）、钴（Co）、锂（Li）三种元素构成了非常稳定的正极材料结构（图中的比例和排列仅作参考），负极石墨的碳原子排列也具有非常稳定的层状结构。正负极材料不但要活泼，还要具有非常稳定的结构，才能实现有序的，可控的化学反应。不稳定的结果是什么？想想汽油燃烧和炸弹爆炸，能量剧烈释放，这个化学反应的过程实际上是无法人为去精确控制的，于是化学能变成了热能，一次性把能量释放完毕，而且不可逆。

金属形态存在的锂元素太“活泼”了，调皮的孩子多半都不听话，喜欢搞破坏。早期针对锂电池的研究，确实是集中以金属锂或其合金作为负极这个方向，但是因为安全问题突出，不得不寻找其他更好的路径。近年来，随着人们对能量密度的追求，这个研究方向又有“满血复活”的趋势，这个我们后面会讲到。

为了实现能量存储和释放过程中的化学稳定性，即电池充放电循环的安全性和长寿命，我们需要一种电极材料，在需要活泼的时候活泼，在需要稳定的时候稳定。经过长期的研究和探索，人们找到了几种锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料，作为电池正极或负极的活性物质，解决了上述问题。如上图所示，磷酸铁锂的橄榄石结构也是一种非常稳定的正极材料结构，充放电过程中锂离子的脱嵌，并不会造成晶格坍塌。题外话，锂金属电池确实是有的，但与锂离子电池相比，几乎可以忽略不计，技术的发展，最终还是要服务于市场。

当然，在解决了稳定性问题的同时，也带来了严重的“副作用”，就是作为能量载体的锂元素占比大大降低，能量密度降了不止一个数量级，有得必有失，自然之道啊。

负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质，也是遵循上述的原则，既要求是好的能量载体，又要相对稳定，还要有相对丰富的储量，便于大规模制造，找来找去，碳元素就是一个相对优解。当然，这并不是唯一解，针对负极材料的研究很广泛，后面有论述。

电解质是干嘛的？通俗的讲，就是游泳池里面的“水”，让锂离子能够自由的游来游去，所以呢，离子电导率要高（游泳的阻力小），电子电导率要小（绝缘），化学稳定性要好（稳定压倒一切啊），热稳定性要好（都是为了安全），电位窗口要宽。基于这些原则，经过长期的工程探索，人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。有机溶剂有PC（碳酸丙烯酯），EC（碳酸乙烯酯），DMC（碳酸二甲酯），DEC（碳酸二乙酯），EMC（碳酸甲乙酯）等材料。电解质锂盐有LiPF6，LiBF4等材料。

隔离膜则是为了阻止正负极材料直接接触而加进来的，我们希望把电池做的尽可能的小，存储的能量尽可能的多，于是正负极之间的距离越来越小，短路成为一个巨大的风险。为了防止正负极材料短路，造成能量的剧烈释放，就需要用一种材料将正负极“隔离”开来，这就是隔离膜的由来。隔离膜需要具有良好的离子通过性，主要是给锂离子开放通道，让其可以自由通过，同时又是电子的绝缘体，以实现正负极之间的绝缘。目前市场上的隔膜主要有单层PP，单层PE，双层PP/PE，三层PP/PE/PP复合膜等。

4.锂离子电池的完整材料构成

除了上面提到的4种主要材料之外，要想把锂离子电池从实验室的一个“实验品”变成一个可以商业化应用的产品，还需要其他一些不可或缺的材料。

我们先看电池的正极，除了活性物质之外，还有导电剂和粘结剂，以及用作电流载体的基体和集流体（正极通常是铝箔）。粘结剂要把作为活性物质的锂金属氧化物均匀的“固定”在正极基带上面，导电剂则要增强活性物质与基体的电导率，以达到更大的充放电电流，集流体负责充当电池内外部的电荷转移桥梁。

负极的构造与正极基本相同，需要粘结剂来固定活性物质石墨，需要铜箔作为基体和集流体来充当电流的导体，但因为石墨本身良好的导电性，所以负极一般不添加导电剂材料。

除了以上材料外，一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、壳体（铝，钢，复合膜等），以及其他一些辅助材料。

原标题：一文读懂锂离子电池的全貌

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