1.2.2锂离子电池的工作原理与特点

目前，所谓的锂离子电池，是指采用两个可逆式嵌入和脱出Li+的化合物用作正、负极材料构成的二次电池，它主要是由正极、负极、隔膜、电解液以及外包装组成。在电池充电过程中，Li+就会从正极材料中出来，继而经过电解液还有隔膜，嵌入负极材料之中；反之，放电时，位于负极材料中的锂离子就会脱出，再重新嵌入正极中，锂离子就是在这两种电极材料中作反复的脱嵌运动，就好像一把摇椅一样，因而又可以将其称之为摇椅电池(Rockingchairbattery)[6]。如下图1-1所示，是以石墨作为负极、LiCoO2为正极材料为例子，详细说明锂离子电池工作原理。

不同电极反应如下：图1-1锂离子电池工作原理

正极反应式： (1.1)负极反应式： (1.2)电池总反应式： (1.3)

在正极（即阴极）中，钴离子与锂离子交替地位于立方紧密堆积氧层中的八面体位置。在进行充电的时候，锂离子会从之前的八面体位置中脱离出来，与此同时，会释放出一个电子，三价的钴离子就会被氧化成四价，锂离子在经过电解液后到达负极，从而嵌入片层状的石墨中，形成的LixC6化合物，主要是为了保持电荷的平衡；放电时，锂离子就会从负极层状结构的LixC6化合物中脱离出来，同时还得到一个电子，四价的钴离子就会被还原成三价。虽然锂离子会在正常的充电和放电的情况之下，在石墨和钴酸锂层间嵌入和脱出，会造成一定的距离变化，但是这一般不会影响晶体的结构[7]，所以这很好地保证了锂离子电池具有良好的循环使用寿命与使用的安全性。

锂离子电池能够被广泛地应用，主要是因为它存在着众多的优点，比如[8]:

（1）电池的工作电压高。每一个工作电池组只需要较少的电池就能达到要求，一般的锂离子电池电压可以达到约3.6V，而Ni-MH电池的工作电压仅仅为1.2V。有些使用设备，如移动手机，只需要一个单独的电池便可正常使用，这样可以很好简化的电路设计；

（2）电池的能量密度高。体积容量和质量容量分别可达300Wh/cm3和125Wh/kg，其比能量一般是镍镉电池的两倍以上，为铅酸电池的四倍，也就是说，在存储能量条件一致的时候，其体积仅仅是镍镉电池的一半，因而有利于实现电子设备的小型轻量化；

（3）循环使用寿命较长，并且没有记忆效应。连续充放电可达1200次左右，最长的

可达3000次，具有可观的经济性；

（4）安全性好，不产生环境污染，充放电范围广等。然而，锂离子电池也存在一些有待解决的问题，部分电极材料，例如LiCoO2的价格比较高，由于锂离子电池的电解液用的是有机溶剂，会使电导率降低，电池的内部阻抗相应地偏高。但是，随着技术的不断成熟，这些问题终将会被克服的，因而，锂电池的应用会变得更加广泛。

1.2.3锂离子电池正极材料

锂离子电池的电化学性能受正负极材料和电解液的结构以及理化性能影响很大，尤其是正极材料，它是锂离子电池中的Li+的主要提供者，对电池的性能起着主导作用。而锂离子二次电池正极材料的研究，支撑着锂离子电池技术的进步。从理论上来说，能够实现锂离子脱离和嵌入的物质繁多，但是可以作为制备成合乎电池正极材料的物质并不容易。对正极材料通常要达到的要求有[9]：（1）锂离子在脱出和嵌入过程中，正极材料的结构和体积变化小；（2）在特定的充放电范围内，应当与有机电解液有很好的兼容性；（3）具备有尽量低的费米能级和锂离子位能；（4）拥有较大的扩散系数，更好地实现电池的快速充放电；（5）电子和离子的导电率都要高些，保证电池的导电性能好；（6）成本低，容易合成。