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“摇椅电池”原理

 

锂电池的出现替代曾经一次电池,动力锂离子电池是由化学家John Goodenough及其同事Phil Wiseman,Koichi Mizushima和Phil Jones 在1970年代于牛津大学研发的 。于1980年,他们的研究发表,并由索尼公司转化为商业技术,索尼公司在1990年代初生产了第一批锂离子电池。从那时起,它们就变得司空见惯:每年生产约50亿只(根据2013年的彭博新闻报道),其中大部分在中国。自1991年左右以来就已得到广泛使用,我们用的手机,笔记本电脑和MP3播放器都是锂离子电池。但是锂电池原理确是在1912年由美国化学家吉尔伯特·刘易斯(Gilbert Lewis)(1875–1946)首次发现的。

图1 电池应用于各行各业

锂离子电池工作原理

锂离子电池充放电原理如图2所示(以LiCoO2为正极,以炭为负极)。

充电正极上发生的反应为

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe- = LixC6

充电电池总反应:LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6

当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

或者以锂铁磷酸盐为正极材料(主流)

正极

正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。 充电时:LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放电时:Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。

负极

负极材料:多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应:放电时锂离子脱嵌,充电时锂离子嵌入。

充电时:xLi+ + xe- + 6C → LixC6

放电时:LixC6→ xLi+ + xe- + 6C

锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。

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