1。2。2 锂离子电池的工作原理

根据阿曼德提出摇椅电池的概念， 在锂离子电池充放电过程中，Li+会像“摇椅”一样往返嵌入和脱出。锂离子电池工作原理是电池化学能与电能的转化，放电时电池的化学能转化为电能输出到外电路，充电时则借助外电源向电池反向通电。放电时，锂离子从负极脱嵌，电子离开负极，锂离子流经电解质进入正极，使负极变成贫锂态，正极呈现富锂态，电子则通过外电路驱动电子器件后迁移至正极，两者在正极复合形成锂原子。反之，充电时锂离子从正极脱嵌，电子离开正极，锂离子流经电解质进入负极，使正极变成贫锂态，负极呈现富锂态，电子则通过外电路迁移至负极，两者在负极复合成锂原子[6]。这一过程中，对锂离子电池的工作电压起到决定性作用的是作为电极的锂离子嵌入化合物种类和锂离子浓度。摇椅电池的电化学表达式为(-)Cn︱LiClO4-EC+DEC︱LiMO2(+)，式中的M为Co、Ni、Fe、W等，正极化合物有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFeO2、LiWO2等，负极化合物有LixC6、TiS2、WO3、NbS2等。锂离子电池工作原理示意图如图1。1[7]。

图1。1 锂离子电池工作原理示意图

1。2。3 锂离子电池的优缺点及改进方法

将锂离子电池与其它二次电池（如镍镉电池和镍氢电池）相比较，有以下几方面优点：

①锂离子电池的工作电压高，单节电池可达3。7-3。8V；

②锂离子电池的体积小，重量轻，能量密度大；

③锂离子电池较为环保，未使用对环境有污染的材料；

④锂离子电池的自放电率低，其自放电率只有2%-10%左右，比镍氢电池的30。35%和镍镉电池的25。30%自放电率要小得多[8]；

⑤锂离子电池工作温度范围宽，在-25ºC到40ºC之间都可以正常工作；

⑥锂离子电池无记忆效应，循环使用寿命长，保证了电池使用的便捷性和经济性；

⑦锂离子电池的充放电速度快，安全性能稳定，是可应用于动力电池及大容量储能的首选。

但由于部分锂离子电池使用的还是可燃的有机溶液作为电解质，液体电解质仍然存在一定的缺陷：

①使用液体电解质的锂离子电池具有一定的安全隐患，可能会因过充、内部短路等原因导致电解液过热，有发生起火甚至爆炸事故的危险；

②电解液与电极材料会发生副反应，导致电池容量出现不可逆转的衰减，同时也会带来胀气、漏液等问题[9]。

为了彻底解决锂离子电池的安全性问题，固体电解质的出现引起了人们的关注。采用固体电解质的全固态锂离子电池的工作原理与传统锂离子电池相同，但相比液态电解质，固体电解质有明显优势：论文网

①全固态材料不可燃，可以有效避免有机电解液的燃烧和泄漏等安全问题；

②机械加工性能好，材料延展度高，可以根据要求制作所需形状；

③组装成电池时，固体电解质可以充当电池隔膜，简化了电池结构；

④固体电解质化学稳定性和电化学稳定性好，不会和电极发生副反应，避免了使用过程中的容量衰减；

⑤固体电解质可以应用于锂硫电池和锂空电池中，具有很强的通用性[10]。

1。3 锂离子无机固体电解质

为了克服液体有机电解质带来的锂离子电池的安全隐患问题，人们开始对锂离子固体电解质进行了大量的研究。固体电解质也被称为快离子导体或者超离子导体，是通过离子传导电流的固体材料[11]，室温下，其离子电导率介于金属和绝缘体之间，有的几乎可以和液体电解质相媲美。锂离子固体电解质包括聚合物电解质和无机固体电解质，聚合物电解质对于解决锂离子电池稳定性的问题可以起到一定程度上的缓解，但始终没有得到非常满意的效果。锂离子无机固体电解质具有较好的耐高温性能，较高电导率(>10-3S/cm)、较低的电导活化能(<0。5eV)、装配方便、可加工性能好等优点在全固态锂离子电池得到了应用，不仅可以排除电解质的泄漏问题，还可以解决电解液给锂离子电池带来的起火甚至爆炸等安全性问题，在高比能量的大型动力电池中也有非常好的应用前景[12]。人们对锂离子无机固体电解质的研究始于19世纪末，虽然起步较晚，但其优越的性能和开阔的市场前景激起人们的研究热情，越来越多的新品种材料相继被研发出来，通过不断的改进受到社会各界的关注和报道。