1。2。1 锂离子电池原理及其组成部分

锂离子电池原理示意图如图1。2[12]所示，由碳基阳极(LixC6)，阴极(LiCoO2)，液体电解质和分离器组成。锂离子自由电荷的定向移动产生电流，在锂离子电池的充电和放电两种状态下，其运动轨迹就像摆钟一样反复在电池的正极和负极来回迁移[13]。电池充电过程，正极上将会有大量的锂离子生成，为了维持正负电极间电荷平衡，锂离子逐渐脱离正极，经过电解质移动到负极。由于负极的碳棒它有很多细小的微孔，吸附性能好，迁移到达负极的锂离子就会被吸附到微孔中，被吸附的锂离子越多，说明电池容量越高，储能越大[14]。电池放电时则与充电时运动方向相反，被吸附在碳层中的锂离子脱离负极运动回到正极。因为金属锂不存在于电池中，与使用金属作锂为阳极的可再充电锂电池相比，锂离子电池的化学反应少且更安全，使用寿命更长。所以在可预见的将来，锂离子电池将成为广泛电能存储应用中最实际的解决方案。论文网

图1。2 使用石墨和LiCoO2作为阳极和阴极的典型锂离子电池的示意图

锂离子电池的功率和能量密度很大程度上取决于电极和电解质材料。图1。3[15]总结了锂离子电池的放电过程中产生内部电阻的主要因素，其包括由于锂离子传输（放电）引起的电阻以及电极和电极集电器界面区域内的电子传导电阻。

目前锂离子电池是发展前进最广的可充电电池，自从1970年代以来，研究工作一直致力于寻找更多的新型活性材料用于开发的非液态锂离子电池。图1。4[16]为可再次充电的非水锂离子电池的代表性电极材料和电解质类型列表。

图1。3 影响放电锂离子电池内阻的主要因素   图1。4 非水锂离子电池代表性电极材料和电解质

在锂离子电池中，LiCoO2广泛用作阴极材料，而LiMn2O4用于需要更高安全性的一些应用。其插入电位较低，较不容易自放电。大多数新型阴极材料是过渡金属氧化物，随着电容密度的增加，倾向于提供较低的放电电位。碳基材料（通常为石墨）目前用作锂离子电池中的阳极材料。电解质的种类有很多，比如非水电解质（有机和离子液体），凝胶电解质和固体有机和无机电解质材料（见图1。4）。目前主要使用的电解质包括环状和直链碳酸酯的混合物。电解质添加剂如亚乙烯基和亚乙基碳酸酯或亚硫酸盐也用于一些电解质溶剂来改善循环性能[13]。金属硫族化物和锰、钒氧化物已经被研究为阴极材料，金属锂或石墨可作为阳极材料，使得可再充电锂离子电池获得初步成功[17]。

当锂离子电池放电时，锂离子从阳极（通常为石墨）移动到阴极（通常为LiMO2，M 为过渡金属），并且在充电时发生反向，如图1。5[18]所示。在锂离子电池中发生的电化学反应是：

阴极： 

阳极：全电池反应：

由于金属锂不存在于该电池中，所以与使用金属锂作为阳极的可再充电锂电池相比，锂离子电池的化学反应少和更安全，且循环寿命更长。 

图1。5 锂离子电池中电化学反应过程

1。3 锂离子电池电解质

1。3。1液态与凝胶电解质

液体电解质和凝胶电解质具有相对较高的室温离子电导率，并且商业锂离子电池即使是在室温下也具有低内阻和良好的循环稳定性能。但是在低温下有机液体电解液中会发生液体向固体转化，这将使离子电导率降低，电池内部温度降低，同时电池内阻会明显增加，从而不能满足低温应用的要求。

不仅如此，当电池大电流的充电、放电时或因为短路使得电池内部的温度突然升高，会引起电极和电解液之间的化学反应加剧，产生大量热量，从而导致热失控。这个过程产生的气体会使得电池密封失效，更严重的是产生的有机溶剂和可燃气体，如果在高温下遇到氧气就会立即爆发火焰[19]。虽然凝胶电解质的电解质含量相对液体电解质来说较小，但不能完全解决安全问题。液体有机溶剂作为锂离子电池的电解液，可能由于液体电解液会与电极材料或包装材料相互作用反应，如果长期使用会导致溶剂干燥，易泄漏，易挥发，电极材料极易腐蚀，极大地影响电池寿命。