鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，其工作主要依靠?jī)蓚€(gè)電之間的 Li+來回的嵌套和脫套。鋰離子電池的生產(chǎn)規(guī)模隨著新能源汽車等下業(yè)的發(fā)展而不斷擴(kuò)大。下面我們通過一段簡(jiǎn)短的動(dòng)畫來了解一些鋰離子電池是如何工作的：
收費(fèi)過程
一次給電池充電時(shí)，正上的電子 e通過外部電路跑到負(fù)，正鋰離子 Li+從正“跳進(jìn)”電解液中，“爬過”隔膜上彎曲的小孔，“游”到負(fù)，與早跑的電子結(jié)合。
在正處發(fā)生的反應(yīng)是：
發(fā)生在負(fù)的反應(yīng)是：
電瓶放電法
有恒流放電和恒阻放電兩種放電方式，恒流放電實(shí)際上是外電路加了一個(gè)可以隨電壓變化的變阻器，恒阻放電的本質(zhì)就是在電池正、負(fù)加了電阻，讓電子通過。由此可見，只要負(fù)上的電子不能從負(fù)跑到正，電池就不會(huì)放電。E-Li+和 Li+都是同時(shí)運(yùn)行的，方向相同但路徑不同，當(dāng)放電時(shí)，E-Li+從負(fù)通過電子導(dǎo)體到達(dá)正，鋰離子 Li+從負(fù)“跳進(jìn)”電解液，“爬過”隔膜上彎曲的小孔，“游泳”到達(dá)正，與早已運(yùn)行的E-Li+結(jié)合。
動(dòng)畫片描述了這兩種過程：
開機(jī)充電↓
鋰離子充電前被嵌入到正材料層狀結(jié)構(gòu)中。
在正材料開始充電后，會(huì)失去電子，鋰離子會(huì)從正材料中脫嵌出來↓
通過電解液和膜片，鋰離子到達(dá)負(fù)石墨材料。
鋰鹽嵌入石墨層中，同時(shí)電子通過外電路到達(dá)負(fù)，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的嵌鋰石墨層↓
在持續(xù)充電時(shí)，正材料繼續(xù)失去電子，鋰離子也繼續(xù)脫嵌，直到充電完成。
鋰離子電池在電動(dòng)車行駛時(shí)開始放電↓
由負(fù)材料產(chǎn)生的電子通過外電路流入正，由石墨層脫嵌產(chǎn)生失去電子的鋰離子↓
脫嵌后的鋰離子再通過電解液和隔膜回到正材料，再通過外部電路結(jié)合到正的電子上，形成相對(duì)穩(wěn)定的嵌鋰正材料↓
以上就是充放電過程中鋰離子的微觀運(yùn)動(dòng)情況。
后，我們要談一談，鋰離子電池原理是什么？
三物料關(guān)鍵指標(biāo)的控制方法
不管是在實(shí)驗(yàn)室還是在生產(chǎn)過程中，都有很多因素影響著三元材料的性能，下面簡(jiǎn)單總結(jié)一下生產(chǎn)過程中控制產(chǎn)品穩(wěn)定和一致性的要點(diǎn)。
單容量
實(shí)驗(yàn)室很容易確定的鋰化配比，但是在生產(chǎn)過程中，我們需要控制每一批產(chǎn)品達(dá)到相同的容量值，這就需要做以下工作：
嚴(yán)格控制三元材料先驅(qū)體及鋰源供應(yīng)商產(chǎn)品質(zhì)量及批次穩(wěn)定性；
準(zhǔn)確檢測(cè)三元材料前驅(qū)體金屬總量及鋰源中鋰元素含量；
采用混合效果好的混合設(shè)備，保證混合料各部位鋰化值基本一致；
燒結(jié)溫度三元材料的燒結(jié)溫度在實(shí)驗(yàn)室中也很容易找到，但是在生產(chǎn)過程中，還要注意：
a固定匣缽裝料及匣缽層數(shù)，不同裝料及匣缽層數(shù)所需的鍛燒溫度稍有差異，若調(diào)整匣缽裝料及匣缽層數(shù)，則需調(diào)整相應(yīng)的鍛燒溫度。
B窯爐溫度測(cè)量元件的定期修正。
雙倍
本文主要介紹了同一三元材料不同組分的多倍性，造成多倍性差異的主要原因。造成三元材料倍率性能差異的原因是：材料的粒徑、形態(tài)、鋰化比例、焙燒氣氛等。
顆粒大小：顆粒尺寸小的材料比表面積大，材料與電解液的接觸面積大，同時(shí)鋰離子的擴(kuò)散路徑短，有利于高電流密度下鋰離子在材料中的嵌脫，因此小顆粒材料的倍率性能更好。為獲得小粒徑的三元材料，需先用小粒徑的前驅(qū)體鍛燒，或?qū)⒋罅降娜牧戏鬯楹笤馘憻?br /> 形態(tài)：三元材料的倍率性能因形態(tài)而異，疏松多孔的形態(tài)有利于電解液的浸潤(rùn)，縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑，因此倍率特性優(yōu)于致密形態(tài)。
鋰化比例：鋰化比例對(duì)材料的成倍性能有影響。在美國(guó)實(shí)驗(yàn)室里，對(duì)兩個(gè)鋰化配比為0.05的樣品進(jìn)行了倍率性能比較。
三元材料不同鋰化比例的倍率性能比較
圖表中的“x=0”表示樣本的分子式分為： Li1.0 (Mn4/9Co1/9Ni4/9)O2；“x=0.05”表示樣本的分子式為： Li1.05 (Mn4/9Co1/9Ni4/9)。
由圖表可知，在較低倍率(C/12)下，兩個(gè)試樣的容量沒有差異，但高鋰化比試樣的倍率性能明顯優(yōu)于低倍率試樣的充放電倍率。
三聚鋰
自由鋰是指三元材料表面的鋰氧化物，氫氧化物，碳酸鹽等。因?yàn)殇嚨幕衔?氧化鋰，碳酸鋰，氫氧化鋰)是堿性的，所以游離鋰離子含量增加，會(huì)使材料的 pH值升高，使粉末更易受潮吸水；強(qiáng)堿性還會(huì)使粘結(jié)劑 PVDF發(fā)生團(tuán)聚，使電池漿料粘度增加，甚至出現(xiàn)膠化，使得材料不能進(jìn)入下一道工序。
三元材料在國(guó)內(nèi)量產(chǎn)初期，對(duì)材料表面游離鋰的控制并不嚴(yán)格，到中后期才逐漸將其納入成品控制中。三元材料游離鋰主要與材料鋰化比、鍛燒制度等有關(guān)。一般而言，鋰化配比越大，材料表面游離鋰含量越高。如圖
三元材料鋰離子游離與鋰化比例關(guān)系圖
燒制制度包括燒制溫度、燒制時(shí)間和燒制數(shù)量。隨著焙燒溫度的升高，焙燒時(shí)間延長(zhǎng)，焙燒量減少(單缽成型)，材料表面游離鋰的殘留量減少。如圖
熱處理工藝對(duì)材料表面游離鋰含量的影響
四面體面積
三元材料的比表面積主要影響電池配制正材料的調(diào)漿過程，大比表面積的材料容易吸水，需要控制調(diào)漿環(huán)境水分，否則容易出現(xiàn)漿液粘度大，分散難，顆粒團(tuán)聚快，過篩容易堵塞，涂膜顆粒多等問題。對(duì)材料比表面的影響主要是三元材料的粒徑分布和一次單晶尺寸。
粒度分布：三元材料粒度分布對(duì)材料比表面積的影響可以從表中看出。圖中顯示了這兩種產(chǎn)品的 SEM圖。
各種顆粒分布產(chǎn)物的比表面積對(duì)比
由表格中可以看出，D10,D50,D90, Dmax與產(chǎn)品1和產(chǎn)品2之間有很大的相似之處，不同的是 Dmin，產(chǎn)品1為0.77μ m，產(chǎn)品2為4.17μ m，而產(chǎn)品1小于3μ m的顆粒所占的比例是2.96%，這點(diǎn)在粒度分布上的差異，使得產(chǎn)品1的表面積幾乎是產(chǎn)品2的兩倍。
各種比表面積產(chǎn)品的掃描電鏡
如圖所示，1、2產(chǎn)品一次晶粒大小基本一致，二次晶粒形態(tài)基本相同。
三材料粒度分布的控制方法如下：
A先驅(qū)體粒度分布受到嚴(yán)格控制。
(b)對(duì)三元材料成品的粉碎、分級(jí)過程嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。
第二，初級(jí)單晶：一些三元材料的粒徑分布基本相同，但是比表面積有差別，此時(shí)需要檢查三元材料的單晶尺寸是否有差別，因?yàn)槿牧系膯尉С叽绮煌矔?huì)導(dǎo)致三元材料比表面積的差別。
各種單晶尺寸的產(chǎn)物比面差
兩個(gè)不同單晶尺寸，相同粒徑分布的樣品分別對(duì)應(yīng)于表面值。可見，單晶大的產(chǎn)品比表面積小。產(chǎn)物單晶尺寸主要與產(chǎn)物鍛燒溫度有關(guān)。
鋰電設(shè)備的原理動(dòng)態(tài)圖，配方及工藝流程，詳細(xì)制造參數(shù)全解
鋰電設(shè)備的原理動(dòng)態(tài)圖，配方及工藝流程，詳細(xì)制造參數(shù)全解
鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，其工作主要依靠?jī)蓚€(gè)電之間的 Li+來回的嵌套和脫套。鋰離子電池的生產(chǎn)規(guī)模隨著能源汽車等下業(yè)的發(fā)展而不斷擴(kuò)大。
工作原理
一、正結(jié)構(gòu)
二管+導(dǎo)電+粘合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)
二.負(fù)結(jié)構(gòu)
SBR+石墨+導(dǎo)電增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑(SBR)+集流(銅箔)
三、如何工作
3.1充電工藝
一次給電池充電時(shí)，正上的電子 e通過外部電路跑到負(fù)，正鋰離子 Li+從正“跳進(jìn)”電解液中，“爬過”隔膜上彎曲的小孔，“游”到負(fù)，與早跑的電子結(jié)合。這時(shí)：
在正處發(fā)生的反應(yīng)是：
發(fā)生在負(fù)的反應(yīng)是：
3.2電池放電工藝
有恒流放電和恒阻放電兩種放電方式，恒流放電實(shí)際上是外電路加了一個(gè)可以隨電壓變化的變阻器，恒阻放電的本質(zhì)就是在電池正、負(fù)加了電阻，讓電子通過。由此可見，只要負(fù)上的電子不能從負(fù)跑到正，電池就不會(huì)放電。E-Li+和 Li+都是同時(shí)運(yùn)行的，方向相同但路徑不同，當(dāng)放電時(shí)，E-Li+從負(fù)通過電子導(dǎo)體到達(dá)正，鋰離子 Li+從負(fù)“跳進(jìn)”電解液，“爬過”隔膜上彎曲的小孔，“游泳”到達(dá)正，與早已運(yùn)行的E-Li+結(jié)合。
3.3加、放特性
LiCoO2,LiNiO2,LiMn2O2是電芯正材料，在這種材料中，LiCoO2是一個(gè)非常穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)x個(gè) Li離子從LiCoO2中去除后，它的結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生改變，但是是否會(huì)改變?nèi)Q于 x的大小。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) x>0.5時(shí)，Li1-xCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)晶型塌陷，其外部表現(xiàn)為電芯的斷裂。因此在使用過程中，電芯應(yīng)該通過限制Li1-xCoO2的充電電壓來控制Li1-xCoO2的x值，一般充電電壓不大于4.2 V那么 x<0.5，此時(shí)Li1-xCoO2的晶型仍然是穩(wěn)定的。
負(fù)C6具有自身的特點(diǎn)，當(dāng)次形成正C6后，正C6中的一部分被充入負(fù)C6，當(dāng)放電時(shí) Li會(huì)返回正LiCoO2，但是在形成正C6后，必須有一部分 Li留在負(fù)C6中心，以保證下一次充放電 Li的正常嵌入，否則電芯的壓降時(shí)間短，為了保證負(fù)C6中的一部分保持正C6，放電下限電壓≤4.2 V，放電下限電壓≥2.5 V。
記憶力作用的原理是通過結(jié)晶作用，在鋰電池中很少發(fā)生。但鋰離子電池在多次充電和放電后容量仍會(huì)下降，其原因復(fù)雜多樣。正負(fù)材料自身的變化主要是由于正負(fù)材料自身在分子水平上的空穴結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，使鋰離子在分子水平上逐漸塌陷、堵塞，而化學(xué)變化則是正負(fù)材料發(fā)生了活性鈍化，產(chǎn)生了穩(wěn)定的其它化合物。在物理上也會(huì)出現(xiàn)正材料逐漸剝落等情況，總而言之，終減少電池中可自由充放電的鋰離子數(shù)量。
從分子水平上看，過度充電和過度放電，都會(huì)對(duì)鋰離子電池的正負(fù)造成性的損傷，這就是一種直觀的認(rèn)識(shí)，過度放電會(huì)導(dǎo)致負(fù)碳釋放鋰離子，使其片層結(jié)構(gòu)塌陷，而過度充電則會(huì)使太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)碳結(jié)構(gòu)中，從而使部分鋰離子不再釋放。
由于不合適的溫度會(huì)引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部的其它化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生我們不想看到的化合物，因此在許多鋰離子電池的正負(fù)之間設(shè)置了一層溫控隔膜或電解液添加劑。當(dāng)電池溫度升高到一定程度，復(fù)合膜膜孔關(guān)閉或電解質(zhì)變，電池內(nèi)阻增大，直至斷路，電池停止升溫，保證電池充電溫度正常。
鋰電池的配方組成及工藝流程
一、正、負(fù)配方
1.1正配方：LiCoO2+導(dǎo)電粘合劑+集流(鋁箔)
雙氧水(10μ m):96.0%
傳導(dǎo)因子(Carbon ECP)2.0%
PVDF 761 (PVDF)2.0%
氮磷鉀(提高粘結(jié)度)：固體物質(zhì)重量比率約810:1496
(a)正粘度控制6000 cps (25轉(zhuǎn)子3)；
NMP的重量應(yīng)適當(dāng)調(diào)整，以滿足粘度要求為宜；
(c)溫度、濕度對(duì)粘度影響的特別關(guān)注
性活性物質(zhì)：
鈷酸鋰：正活性物質(zhì)，鋰離子源，增強(qiáng)電池的鋰源。無物質(zhì)，形狀不規(guī)則，D50一般6-8μ m，含水率≤0.2%，通常呈堿性， pH值在10-11之間。
無物質(zhì)，形狀不規(guī)則，粒徑D50一般在5-7微米之間，水分≤0.2%，通常呈弱堿性， pH值在8左右。
傳導(dǎo)劑：鏈狀物質(zhì)，含水率在1%以下，通常為1-5μ m。常用導(dǎo)電性能優(yōu)良的超導(dǎo)碳黑，如 Carbon ECP和ECP600JD，其作用：改善正狀態(tài)