太藍鋰匯|電池的玄妙與魔力，鋰電池的原理概述（下）

導(dǎo)讀：

電化學(xué)產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了長足平妥的發(fā)展過程，大量的科研院所、企業(yè)機構(gòu)潛心研究，在前進路途中不斷涉歷和試錯，同時也貢獻了卓著的研究成果。時序更替，在此前長達30年的時間里，鋰電池的基礎(chǔ)體系基本保持相對平穩(wěn)的態(tài)勢。探索無限止、前進疾兼程，現(xiàn)今的電池技術(shù)仍然在漸進發(fā)展，未來仍為可期。

「太藍鋰匯」是太藍新能源開設(shè)的電池科普內(nèi)容集匯欄目，通過知識科普觸及鋰電池技術(shù)動態(tài)和相關(guān)市場領(lǐng)域。深耕于先進固態(tài)鋰電產(chǎn)業(yè)研發(fā)，太藍力量正當(dāng)時，并且將不斷發(fā)榮滋長。

電是現(xiàn)代文明的血液，電能的利用是人類進入現(xiàn)代化社會的標(biāo)志。電池作為一種能量轉(zhuǎn)化與儲存的裝置，通過反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電流無形，帶來的現(xiàn)實力量卻在轉(zhuǎn)化成有形的科技力量，深藏著推動社會發(fā)展與技術(shù)革新的玄妙與魔力。

基于我們之前的《關(guān)于鋰電池的基礎(chǔ)解讀》，本文當(dāng)中所指的鋰離子電池特指可反復(fù)充電的二次鋰離子電池，而不是一次性電池。

當(dāng)今社會，每個人的生活都與鋰離子電池息息相關(guān)，也有大量的產(chǎn)業(yè)類型是在研究鋰離子電池的產(chǎn)品應(yīng)用。普通用戶，通常會把鋰離子電池直接叫作鋰電池，雖然兩者并不完全等同，但鋰離子電池確實是當(dāng)前鋰電池的絕對主體。

（接上篇）

3.鋰離子電池的基本構(gòu)成

要實現(xiàn)上述的功能，鋰離子電池內(nèi)部需要包含幾種基本材料：正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、隔膜、電解質(zhì)。

正負(fù)極可以容易地進行理解，想要實現(xiàn)電荷移動，就需要存在電位差的正負(fù)極材料，那么什么是活性物質(zhì)？我們知道，電池實際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)能量的存儲和釋放。要實現(xiàn)這個過程，就需要正負(fù)極的材料很“容易”參與化學(xué)反應(yīng)，要活潑，要容易氧化和還原，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以我們需要“活性物質(zhì)”來做電池的正負(fù)極。

鋰元素既然是我們制作電池的優(yōu)選材料，那么為什么不同樣用金屬鋰來做電極的活性物質(zhì)呢？這樣不是可以達到最大的能量密度嗎？

還是依據(jù)上述例子，氧（O）、鈷（Co）、鋰（Li）三種元素構(gòu)成了非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)，負(fù)極石墨的碳原子排列也具有非常穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。正負(fù)極材料不但要活潑，還要具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)有序的，可控的化學(xué)反應(yīng)。

不穩(wěn)定的結(jié)果是什么？想想汽油燃燒和炸彈爆炸，能量劇烈釋放，這個化學(xué)反應(yīng)的過程實際上是無法人為去精確控制的，于是化學(xué)能變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，而且不可逆。

金屬形態(tài)存在的鋰元素比較“活潑”，早期針對鋰電池的研究，確實是集中以金屬鋰或其合金作為負(fù)極這個方向，但是因為安全問題突出，不得不尋找其他更好的路徑。近年來，隨著人們對能量密度的追求，這個研究方向又有與日俱新的趨勢。

為了實現(xiàn)能量存儲和釋放過程中的化學(xué)穩(wěn)定性，即電池充放電循環(huán)的安全性和長壽命，我們需要一種電極材料，在需要活潑的時候活潑，在需要穩(wěn)定的時候穩(wěn)定。

經(jīng)過長期的研究和探索，人們找到了幾種鋰的金屬氧化物，如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池正極或負(fù)極的活性物質(zhì)，解決了存在的一些問題。磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)也是一種非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)，充放電過程中鋰離子的脫嵌，并不會造成晶格坍塌。

而鋰金屬電池確實也是存在的，但與鋰離子電池相比，幾乎可以忽略不計，技術(shù)的發(fā)展，最終還是要服務(wù)于市場。鋰離子電池在提高了穩(wěn)定性問題的同時，也帶來了嚴(yán)重的“副作用”，就是作為能量載體的鋰元素占比大大降低，能量密度降了不止一個數(shù)量級，有得必有失。

負(fù)極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質(zhì)，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對穩(wěn)定，還要有相對豐富的儲量，便于大規(guī)模制造。碳元素就是一個相對優(yōu)解，當(dāng)然，這可能并不是唯一解，行業(yè)內(nèi)針對負(fù)極材料的研究也很廣泛。

電解質(zhì)是什么作用呢？

通俗的講，就像游泳池里面的“水”，讓鋰離子能夠自由的游來游去，所以呢，離子電導(dǎo)率要高（游泳的阻力?。?，電子電導(dǎo)率要小（絕緣），化學(xué)穩(wěn)定性要好（穩(wěn)定壓倒一切），熱穩(wěn)定性要好（為了安全出發(fā)），電位窗口要寬。

基于這些原則，經(jīng)過長期的工程探索，人們找到了由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、和必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的電解質(zhì)。有機溶劑有PC（碳酸丙烯酯），EC（碳酸乙烯酯），DMC（碳酸二甲酯），DEC（碳酸二乙酯），EMC（碳酸甲乙酯）等材料。電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6，LiBF4等材料。

隔離膜則是為了阻止正負(fù)極材料直接接觸短路而加進來的，我們希望把電池做的盡可能的小，存儲的能量盡可能的多，于是正負(fù)極之間的距離越來越小，短路成為一個巨大的風(fēng)險。

為了防止正負(fù)極材料短路，造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負(fù)極“隔離”開來，這就是隔離膜的由來。

隔離膜需要具有良好的離子通過性，主要是給鋰離子開放通道，讓其可以自由通過，同時又是電子的絕緣體，以實現(xiàn)正負(fù)極之間的絕緣。目前市場上的隔膜主要有單層PP，單層PE，雙層PP/PE，三層PP/PE/PP、以及陶瓷復(fù)合膜等。

4.鋰離子電池的完整材料構(gòu)成

除了文中提到的4種主要材料之外，要想把鋰離子電池從實驗室的一個“樣品”變成一個可以商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，還需要其他一些不可或缺的材料。

首先來看電池的正極，除了活性物質(zhì)之外，還有導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，以及用作電流載體的基體和集流體（正極通常是鋁箔）。粘結(jié)劑要把作為活性物質(zhì)的鋰金屬氧化物均勻的“固定”在正極基帶上面，導(dǎo)電劑則是為了增強活性物質(zhì)與基體的導(dǎo)電性，以達到更大的充放電電流，集流體負(fù)責(zé)充當(dāng)電池內(nèi)外部的電荷轉(zhuǎn)移橋梁。

負(fù)極的構(gòu)造與正極基本相同，需要粘結(jié)劑來固定活性物質(zhì)石墨，需要銅箔作為基體和集流體來充當(dāng)電流的導(dǎo)體，但因為石墨本身具備良好的導(dǎo)電性，所以負(fù)極一般添加少量或不添加導(dǎo)電劑材料。

除了以上材料外，一個完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體（鋁，鋼，復(fù)合膜等），以及其他一些輔助材料。

5.鋰離子電池的制作工藝

鋰離子電池的制作工藝比較復(fù)雜，此處僅就部分關(guān)鍵工序做簡單描述。

根據(jù)極片裝配方式的不同，通常有卷繞和疊片兩種工藝路線。

疊片工藝是將正極、負(fù)極切成小片與隔離膜堆疊起來成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來，組成一個大電芯的制造工藝。其大體工藝流程如下：將涂布、烘干、輥壓后的極片按照一定的尺寸進行模切，模切后的正負(fù)極片、隔膜通過疊片機進行電池制備，制備完成后的電芯進行極耳焊接、封裝，封裝完成后進行電芯的烘烤、注液、封口、化成等工藝，此時一個完整的鋰離子電芯就基本完成了，后續(xù)將進行整形、性能測試、產(chǎn)品分級出貨等。

卷繞工藝是將正負(fù)極片、隔離膜、正負(fù)極耳、保護膠帶、終止膠帶等物料固定在設(shè)備上，設(shè)備經(jīng)過放卷完成電芯制作。與疊片工藝不同的是，卷繞電芯的制作過程，需要將涂布、烘干、輥壓后的極片進行分切過程，分切是將極片做成條狀，然后按負(fù)極、隔膜、正極的順序經(jīng)卷繞得到卷繞電芯、后續(xù)工藝過程和疊片一致。