太蓝锂汇|电池的玄妙与魔力，锂电池的原理概述（下）

导读：

电化学产业经历了长足平妥的发展过程，大量的科研院所、企业机构潜心研究，在前进路途中不断涉历和试错，同时也贡献了卓著的研究成果。时序更替，在此前长达30年的时间里，锂电池的基础体系基本保持相对平稳的态势。探索无限止、前进疾兼程，现今的电池技术仍然在渐进发展，未来仍为可期。

「太蓝锂汇」是太蓝新能源开设的电池科普内容集汇栏目，通过知识科普触及锂电池技术动态和相关市场领域。深耕于先进固态锂电产业研发，太蓝力量正当时，并且将不断发荣滋长。

电是现代文明的血液，电能的利用是人类进入现代化社会的标志。电池作为一种能量转化与储存的装置，通过反应将化学能转化为电能。电流无形，带来的现实力量却在转化成有形的科技力量，深藏着推动社会发展与技术革新的玄妙与魔力。

基于我们之前的《关于锂电池的基础解读》，本文当中所指的锂离子电池特指可反复充电的二次锂离子电池，而不是一次性电池。

当今社会，每个人的生活都与锂离子电池息息相关，也有大量的产业类型是在研究锂离子电池的产品应用。普通用户，通常会把锂离子电池直接叫作锂电池，虽然两者并不完全等同，但锂离子电池确实是当前锂电池的绝对主体。

（接上篇）

3.锂离子电池的基本构成

要实现上述的功能，锂离子电池内部需要包含几种基本材料：正极活性物质、负极活性物质、隔膜、电解质。

正负极可以容易地进行理解，想要实现电荷移动，就需要存在电位差的正负极材料，那么什么是活性物质？我们知道，电池实际上是将电能和化学能相互转换，以实现能量的存储和释放。要实现这个过程，就需要正负极的材料很“容易”参与化学反应，要活泼，要容易氧化和还原，从而实现能量转换，所以我们需要“活性物质”来做电池的正负极。

锂元素既然是我们制作电池的优选材料，那么为什么不同样用金属锂来做电极的活性物质呢？这样不是可以达到最大的能量密度吗？

还是依据上述例子，氧（O）、钴（Co）、锂（Li）三种元素构成了非常稳定的正极材料结构，负极石墨的碳原子排列也具有非常稳定的层状结构。正负极材料不但要活泼，还要具有非常稳定的结构，才能实现有序的，可控的化学反应。

不稳定的结果是什么？想想汽油燃烧和炸弹爆炸，能量剧烈释放，这个化学反应的过程实际上是无法人为去精确控制的，于是化学能变成了热能，一次性把能量释放完毕，而且不可逆。

金属形态存在的锂元素比较“活泼”，早期针对锂电池的研究，确实是集中以金属锂或其合金作为负极这个方向，但是因为安全问题突出，不得不寻找其他更好的路径。近年来，随着人们对能量密度的追求，这个研究方向又有与日俱新的趋势。

为了实现能量存储和释放过程中的化学稳定性，即电池充放电循环的安全性和长寿命，我们需要一种电极材料，在需要活泼的时候活泼，在需要稳定的时候稳定。

经过长期的研究和探索，人们找到了几种锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料，作为电池正极或负极的活性物质，解决了存在的一些问题。磷酸铁锂的橄榄石结构也是一种非常稳定的正极材料结构，充放电过程中锂离子的脱嵌，并不会造成晶格坍塌。

而锂金属电池确实也是存在的，但与锂离子电池相比，几乎可以忽略不计，技术的发展，最终还是要服务于市场。锂离子电池在提高了稳定性问题的同时，也带来了严重的“副作用”，就是作为能量载体的锂元素占比大大降低，能量密度降了不止一个数量级，有得必有失。

负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质，也是遵循上述的原则，既要求是好的能量载体，又要相对稳定，还要有相对丰富的储量，便于大规模制造。碳元素就是一个相对优解，当然，这可能并不是唯一解，行业内针对负极材料的研究也很广泛。

电解质是什么作用呢？

通俗的讲，就像游泳池里面的“水”，让锂离子能够自由的游来游去，所以呢，离子电导率要高（游泳的阻力小），电子电导率要小（绝缘），化学稳定性要好（稳定压倒一切），热稳定性要好（为了安全出发），电位窗口要宽。

基于这些原则，经过长期的工程探索，人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。有机溶剂有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。电解质锂盐有LiPF6，LiBF4等材料。

隔离膜则是为了阻止正负极材料直接接触短路而加进来的，我们希望把电池做的尽可能的小，存储的能量尽可能的多，于是正负极之间的距离越来越小，短路成为一个巨大的风险。

为了防止正负极材料短路，造成能量的剧烈释放，就需要用一种材料将正负极“隔离”开来，这就是隔离膜的由来。

隔离膜需要具有良好的离子通过性，主要是给锂离子开放通道，让其可以自由通过，同时又是电子的绝缘体，以实现正负极之间的绝缘。目前市场上的隔膜主要有单层PP，单层PE，双层PP/PE，三层PP/PE/PP、以及陶瓷复合膜等。

4.锂离子电池的完整材料构成

除了文中提到的4种主要材料之外，要想把锂离子电池从实验室的一个“样品”变成一个可以商业化应用的产品，还需要其他一些不可或缺的材料。

首先来看电池的正极，除了活性物质之外，还有导电剂和粘结剂，以及用作电流载体的基体和集流体（正极通常是铝箔）。粘结剂要把作为活性物质的锂金属氧化物均匀的“固定”在正极基带上面，导电剂则是为了增强活性物质与基体的导电性，以达到更大的充放电电流，集流体负责充当电池内外部的电荷转移桥梁。

负极的构造与正极基本相同，需要粘结剂来固定活性物质石墨，需要铜箔作为基体和集流体来充当电流的导体，但因为石墨本身具备良好的导电性，所以负极一般添加少量或不添加导电剂材料。

除了以上材料外，一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、壳体（铝，钢，复合膜等），以及其他一些辅助材料。

5.锂离子电池的制作工艺

锂离子电池的制作工艺比较复杂，此处仅就部分关键工序做简单描述。

根据极片装配方式的不同，通常有卷绕和叠片两种工艺路线。

叠片工艺是将正极、负极切成小片与隔离膜堆叠起来成小电芯单体，然后将小电芯单体叠放并联起来，组成一个大电芯的制造工艺。其大体工艺流程如下：将涂布、烘干、辊压后的极片按照一定的尺寸进行模切，模切后的正负极片、隔膜通过叠片机进行电池制备，制备完成后的电芯进行极耳焊接、封装，封装完成后进行电芯的烘烤、注液、封口、化成等工艺，此时一个完整的锂离子电芯就基本完成了，后续将进行整形、性能测试、产品分级出货等。

卷绕工艺是将正负极片、隔离膜、正负极耳、保护胶带、终止胶带等物料固定在设备上，设备经过放卷完成电芯制作。与叠片工艺不同的是，卷绕电芯的制作过程，需要将涂布、烘干、辊压后的极片进行分切过程，分切是将极片做成条状，然后按负极、隔膜、正极的顺序经卷绕得到卷绕电芯、后续工艺过程和叠片一致。