锂电子电池主要由五个部分构成:正极、隔膜、负极、电解质、电池外壳。正极材料的选择,一般会考虑和锂相比,插锂电位最低要求大于3V,且与空气接触时性质较为稳定,不易发生化学反应的过渡金属氧化物,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。隔膜的作用是只允许让锂离子通过,同时让锂电子则无法进入,常采用聚烯微多孔膜。负极材料通常会优先选择电位接近锂电位的活性物质,例如石墨,或类似石墨结构的碳,如碳纤维、石墨烯、金属氧化物(如SnO、SnO2)、锡复合氧化物SnBxPyOz等。电池正、负极原料的选用会影响到电池的能量密度和电容量的高低,具有高能量密度和电容量的电池拥有更好的续航能力。锂电子电池的电解质通常为溶质和溶液混溶搭配的溶剂体系,溶质常用LiPF6,LiBF4,LiClO4等锂系化合物;溶液则选用有机溶剂,因为有机溶剂可以满足电池的工作电压,但有机溶剂会在电池充电时破坏石墨结构,导致电极钝化等问题,电解质关系到电池充放电的速率,且与电池使用的安全性密切相关。电池外壳材料上的选择,为了提高电池的安全性,多采用钢或铝,使电池的外壳具有防爆且不导电的功能。
锂电子电池的结构示意图
锂离子电池之所以能够成为一种可充电的电池,其主要的原因是因为在锂离子电池内部的并不是金属锂,是以离子形式存在的锂离子。通过锂离子在正极和负极之间的不断反复的脱嵌,嵌入,从而可以进行放电、充电。图1.3简单介绍了锂电子电池的充电、放电时,电池内部产生的化学反应及其原理。当电池处于充电状态时,电池的正极材料就会放出大量的Li+,被释放出的Li+从正极,电解质作为中间介质传递Li+,最后嵌入负极。而负极的材料因多选用石墨或类似石墨结构的碳,其结构是典型的层状结构,排列方式呈蜂巢式。大量的Li+运动进入负极以后,电池负极就处于一种Li+富集的状态,Li+含量越高,充电容量越高。同理,当电池在使用过程中耗电时,Li+从负极脱离,又途径电解质,最后返回到正极。这时正极正处于缺乏大量Li+的状态,因此回归到正极的离子数目越多,放电容量就越高。
电极反应如下:由此可以观察得出,在锂离子电池的充、放电两种状态下,Li+的运动轨迹就像“摇椅”反复摇晃的状态一样在电池的正、负极来回摆动。随着人们对电池材料的不懈地研究与实验,电池的应用也得以不断发展。
在20世纪初期,电池主要用于家用的中小电器,如钟表,遥控器,手电筒,收音机等。而现如今电池已经不仅仅只是用在家电上了,现在马路上随处可见的电瓶车,就是靠电池供电使用的。公共电(汽)车、无人机、代步车(walkcar)等都采用电池作为原动力,尤其是大容量电池,医院里的心脏起搏器、航天领域、甚至军事领域都有所应用。目前,随着不可替代能源日益减少,电动自行车、电动汽车等也开始走进人们的视野,绿色环保无污染的出行方式悄然走进我们的生活。
目前,锂离子电池的应用不断的向现代生活的方方面面渗透,就要求锂离子电池的性能越来越好以满足市场和消费者的需求[2]。锂离子电池具有的高功率和能量密度,打开了消费者电子产品的市场,甚至电动汽车(EV)的应用中发现新的锂离子电池应用领域。但是,就电动汽车应用而言,安全性是一个关键参数阻碍了广泛的使用。传统的电池系统是由阳极,阴极和电解质组成,其中,电解质是关系到电池能否安全使用的决定性物质。广泛用于商业锂离子二次电池的有机液体电解质是易燃的,在高电压下及过度充电的情况下不稳定,具有短路,电池膨胀的可能性,更有甚者会发生起火爆炸[7]。另一方面,固态电解质在高电压下显示出高的电化学稳定性,优良的温度稳定性,使它们不可或缺的成为电解质候选物,以加强安全问题。 钇钨掺杂锆酸镧电解质的表征(4):http://www.youerw.com/huaxue/lunwen_80857.html