鋰離子電池的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為如圖一所示結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、正極集流體(根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資料：正極附著活性物質(zhì)的基體金屬，如圖二中的鋁箔)、負(fù)極集流體(根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資料：負(fù)極附著活性物質(zhì)的基體金屬，如圖二中的銅箔)六部分組成。

正極材料一般采用富鋰化合物，如鈷酸鋰(LiCoO2)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)、NCM三元材料(個(gè)人理解鎳鈷錳合金，N代表鎳(Ni)，C代表鈷(Co)、M代表錳(Mn))、錳酸鋰(LiMn2O4)等。負(fù)極材料一般采用石墨。電解液一般采用溶解了鋰鹽的碳酸酯類(lèi)有機(jī)溶劑。隔膜是高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜。

圖一，圖片來(lái)源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

課程中，以鈷酸鋰為正極，石墨為負(fù)極的鋰離子電池為例，講解鋰離子充放電過(guò)程中鋰離子和電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

充電時(shí)，鋰離子從正極脫出，經(jīng)過(guò)電解液傳輸，穿過(guò)隔膜嵌入到負(fù)極(圖二紅色球體從右側(cè)向左側(cè)移動(dòng))。此時(shí)，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)。同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷經(jīng)過(guò)外電路供給到石墨負(fù)極(圖二藍(lán)色球體經(jīng)過(guò)導(dǎo)線從右側(cè)向左側(cè)移動(dòng))，確保電荷平衡。

充電時(shí)，正極發(fā)生的電極反應(yīng)如下：

LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-

鈷酸鋰脫去鋰離子(Li+)和電子(e-)，轉(zhuǎn)變?yōu)槊撲噾B(tài)的鈷酸鋰(Li1-xCoO2)。

充電時(shí)，負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)如下：

6C+xLi++xe-→LixC6

石墨(C)得到鋰離子和電子，轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)ixC6。

圖二，圖片來(lái)源：根據(jù)學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》資料制作

放電時(shí)，過(guò)程與充電時(shí)相反。鋰離子從負(fù)極脫出，經(jīng)過(guò)電解液傳輸，穿過(guò)隔膜嵌入到正極材料中(圖三紅色球體從左側(cè)向右側(cè)移動(dòng))。此時(shí)，正極處于富鋰狀態(tài)，負(fù)極處于貧鋰狀態(tài)。同時(shí)，電子的補(bǔ)償電荷經(jīng)過(guò)外電路傳導(dǎo)至正極(圖三藍(lán)色球體經(jīng)過(guò)導(dǎo)線從左側(cè)向右側(cè)移動(dòng))，確保電荷平衡。

放電時(shí)，正極發(fā)生的電極反應(yīng)如下：

Li1-xCoO2+xLi++xe-→LiCoO2

脫鋰態(tài)的鈷酸鋰得到鋰離子和電子，重新轉(zhuǎn)變?yōu)殁捤徜嚒?/p>

放電時(shí)，負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)如下：

LixC6→6C+xLi++xe-

LixC6脫去鋰離子和電子，重新轉(zhuǎn)變?yōu)槭?/p>

圖三，圖片來(lái)源：根據(jù)學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》資料制作

鋰電池充放電的正負(fù)極發(fā)生的總反應(yīng)，可以表示為如下反應(yīng)方程式：

LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6

在鋰離子充放電過(guò)程中，鋰離子處于從“正極→負(fù)極→正極”的循環(huán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果將鋰離子電池的形象比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的正負(fù)兩極，鋰離子可比喻為一名運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅兩端之間來(lái)回奔跑。因此，鋰離子電池也被稱(chēng)為“搖椅電池”。

圖片來(lái)源：學(xué)堂在線《鋰離子電池材料與技術(shù)》

在理想充放電情況下，鋰離子在層狀正極材料和石墨負(fù)極材料之間反復(fù)嵌入和脫出，一般只引起材料的層面間距變化，不破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)。所以，就充放電反應(yīng)的可逆性來(lái)說(shuō)，鋰離子電池充放電過(guò)程中的氧化還原反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。

審核編輯：湯梓紅