1.1 電池概述

一次電池使用一次后即廢棄，如鋅錳電池、堿性電池、銀鋅電池等等；

而二次電池可以充放電使用多次，如鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。

1.2 鋰電池的發(fā)展史

尋找穩(wěn)定的電解液和可逆的正極材料是主要的課題。

為了實現(xiàn)鋰電池的可充放電性，大量的研究集中于尋找同時具有高電導和高電化學反應活性的可嵌型化合物上。

早在20世紀60年代末，貝爾實驗室和斯坦福大學的兩個獨立的研究團隊發(fā)現(xiàn)一些硫族化合物如TiS2能發(fā)生層間嵌脫反應。1972年Steel和Armand正式提出了“電化學嵌入”這一概念，奠定了開發(fā)鋰二次電池商業(yè)化技術的基礎。

盡管在金屬鋰表面形成的固態(tài)電解質界面膜（SEI）具有鋰的透過性，但鋰的不均勻沉積會導致鋰枝晶，它可以穿透隔膜，引起正負極短路，從而引發(fā)嚴重的安全性問題，Moli公司的爆炸事故幾乎使鋰二次電池的發(fā)展陷于停頓。

“搖椅電池”：采用低插鋰電勢的嵌鋰化合物代替金屬鋰為負極，與具有高插鋰電勢的嵌鋰化合物組成鋰二次電池，徹底地解決鋰枝晶的問題。

為了解決由于嵌鋰化合物代替金屬鋰為負極引起的電壓升高，從而導致電池整體電壓和能量密度降低的問題：1、氧化物替代硫化物作為鋰離子電池的正極材料，并展示了具有層狀結構的LiCoO2不但可以提供接近4V的工作電壓，而且可在反復循環(huán)中釋放約140mA·h/g的比容量；2、1990年日本Sony公司以LiCoO2為正極，硬炭為負極，生產出歷史上第一個鋰離子電池，工作電壓達到3.6V，這被認為是電池發(fā)展史上的第二個里程碑。

在接下來的1/4世紀里，鋰離子電池的科研工作者和生產技術人員共同努力，在能量密度、功率密度、服役壽命、使用安全性、成本降低等方面做了大量工作：

在正極材料方面開發(fā)出尖晶石型的LiMn2O4，橄欖石結構的LiFePO4，層狀結構的LiNixCo1-2xMnxO2 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2等可實際應用的材料；

在負極方面，除了各種各樣的炭材料，還開發(fā)出錫基和硅基材料；

在電解質方面，聚合物電解質和陶瓷電解質等固態(tài)電解質呈現(xiàn)出有價值的應用前景

1.3 鋰電池的工作原理

鋰離子電池從工作原理上看，是以兩種不同的，但都能夠可逆嵌入和脫出鋰離子的嵌鋰化合物作為電池正負極的二次電池體系，以客體粒子（鋰離子）可逆嵌入主體晶格的嵌入化學為基礎，嵌入和脫出反應不涉及舊的結構的破壞和新的結構的生成，反應過程中材料主體結構有較好的保持，這對于固態(tài)化學反應來說，可以使反應以很快的速度進行。

電池處于放電態(tài)時正極處于富鋰態(tài)，電池處于充電態(tài)時正極處于貧鋰態(tài)，負極與之相反。

從內部的鋰離子流向來看電流。

（1）鋰電池充電時，鋰離子從正極材料中脫出，經由電解液傳遞到負極，再嵌入負極材料中，那么充電時電池內部的電流就是從正極到負極，外部的電流就是從負極到正極，而電子由于是負電荷，所以流向與電流剛好相反。

（2）對于電池放電過程，鋰離子從負極材料脫出，并由電解液傳遞到正極，再嵌入正極。所以放電時，電池內部電流由負極到正極，外部電流由正極到負極。電子流向相反即可。

電極材料的電極電位須與電解液匹配：如圖1-2所示，正極及負極的電化學勢（μC和μA）必須與電解液的電化學窗口（Eg）相適應（μA-μC≤Eg）。

當正極電化學勢低于電解液的最高占據(jù)分子軌道能量（HOMO）時，在沒有SEI膜存在的情況下，正極材料參加電化學反應失去電子時會引起電解液同時失去電子而被氧化，所以正極材料的電化學勢μC必須高于電解液的最高占據(jù)分子軌道能量（HOMO）。同樣的，為了避免電解液的還原，負極材料的電化學勢μA必須低于電解液的最低空分子軌道能量（LUMO）。

但在實際應用中，由于電極表面SEI膜的形成，使正負極材料有更多的選擇。