這裡以采用钴酸锂為正極材料、石墨為負極材料為例來介紹锂離子電池的化學原理。在充電過程中,锂離子從正極中脫出,然後嵌入到負極石墨材料中,形成锂離子的石墨嵌入化合物;而在放電過程中,锂離子從石墨嵌入化合物中脫出,重新嵌入到正極材料中。锂離子電池充放電時,相當于锂離子在正極和負極之間來回運動,因此锂離子電池最初被形象地稱為“搖椅式電池”(racking chair battery)。
锂離子電池反應原理圖(钴酸锂和石墨層狀化合物)
锂離子電池在充放電時,正負極材料的化合價會發生變化。在常溫常壓下發生總的氧化還原反應如下
放電過程中的電極反應為:
正極(還原反應,得電子)：
負極(氧化反應,失電子)：
充電過程中的電極反應與上述反應過程相反。
因此,當采用钴酸锂為正極材料和石墨為負極材料時,由于上述氧化還原反應具有良好的可逆性,锂離子電池循環性能優異;由于石墨嵌锂化合物密度低,锂離子電池質量比能量高;由于氧化還原電對的電位在金屬電對中最負,锂離子電池的工作電壓和比能量高。
由反應式可以看出,理論上锂離子電池的正負極活性物質分别為和,但是由于和制備過程複雜,且在空氣中不穩定,難以直接制造電池。因此,人們通常采用反應式的生成物钴酸锂和石墨作為正負極原材料裝配成電池,此時電池處于沒有電的狀态,隻有充電以後上述兩種材料轉化為活性物質才能自發放電,向外界提供電能。
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