探讨分析锂电池电化学的性能机理

学术界和产业界一直努力追求实现锂离子电池优异的倍率、高低温充放电、循环寿命等电化学性能但是，从成熟产品的角度去看，总是面临着“跷跷板”问题，即锂离子电池某些性能的提升会伴随着其它性能的降低，如何找到平衡点?让我们先从锂离子电池的基本电化学特性谈起。

　　锂离子电池工作时，同时发生电子传导和离子迁移的过程，图1所示为锂离子电池充电过程中的工作示意图　　图1.锂离子电池充电时电子传递和离子迁移过程示意图　　在充放电过程中，锂离子电池正极发生氧化反应，电子经过导电剂等导电网络传递到集流体并到达负极;锂离子则从正极材料晶格中脱嵌出来，和电解液中溶剂分子结合，形成溶剂化的锂离子，在电场和离子浓度差异的驱动下，穿过隔离膜到达负极，得到电子发生还原反应，嵌入负极材料中。

　　放电过程则与之相反，电子在活性物质、导电剂、集流体等传递过程中，以及锂离子在固相中的扩散、在溶液中的迁移过程中，都会形成阻抗，导致电池的电压下降表现为电化学极化、浓差极化及内阻损失工作电压的公式可表达为图2所示。

　　图2.锂离子电池工作电压分解示意图　　锂离子电池的阻抗由离子阻抗、电子阻抗、界面阻抗三大部分构成，可以进一步细分为以下部分：　　因此，改善锂离子电池性能，着重在于降低电池内部各种阻抗　　从材料的角度来看，以正极材料为例(表1)，扩散系数和电导率与晶体结构相关，钴酸锂等2D层状结构的扩散系数高，电导率好。

而1D单向隧道结构的磷酸铁锂材料扩散系数低，电导率差同比之下，前者的倍率性能优良，放电平台较高　　表1常用正极材料特性　　可以采取以下措施提高正极材料扩散系数：　　掺杂-改变晶体结构参数利于锂离子的嵌入和脱嵌　　包覆-导电或导离子的包覆层利于离子的传递　　减少颗粒尺寸-减少离子扩散距离　　负极材料的扩散系数提高则可以采用：　　适度氧化　　金属沉积　　表面聚合物或碳包覆　　硼掺杂　　值得一提的是减少颗粒尺寸的方法在负极材料中并不可行，是因为负极比表面积随颗粒尺寸减少而增大，导致更多的Li消耗形成SEI层。

　　锂离子在液相中的迁移能力与电解液的溶剂和锂盐类型息息相关电解液最重要的参数为介电常数和粘度前者反映形成溶剂化锂离子的能力，后者则反映离子迁移的阻力通过电解液溶剂种类和添加剂的优化，提高离子电导率　　对于正极，负极和电解液，锂离子在其中的固相扩散或液相扩散，受环境温度的影响较大，符合Arrhenius方程。

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