电池基本构成(电池的基本组成部分有哪些)
导语：电池系统管理第一册梳理(三)电池的基本构造
区别于锂电池，电化学电池由许多部件构成。包括负极、正极、电解质和隔膜，某些类型的电池有附着于电极外侧的集流体。图一显示了一个电池的截面图。
图(一)
负极电化学电池中的负极通常由纯金属、合金、氢构成。例如，铅酸电池的负极是纯铅。表(一)列出了常见电池类型的负极材料。在放电过程中，负极释放电子至外部电路。失电子为电极被氧化的过程，即一个物质的氧化会有电子的损失，或者该物质的氧化态(oxidation state)增加(带正电荷)。在充电过程中，负极接受来自外部电路的电子并被还原，即一种物质的还原伴随电子的获得，或者其氧化态降低(带负电荷)。因此，在电化学电池中发生的化学反应被称为氧化还原反应。负极通常被称为阳极(anode)，阳极是发生氧化的电极。所以，只有当电池放电时，负极才是阳极，而当电池充电时，为阴极(cathode)。因此，阳极与阴极并不是描述电极的准确词汇。
图(二)
在锂离子电池中，石墨目前为主要的负极材料，这主要得益于其丰富的储量、高能量密度、高功率密度和低成本等优势。由于提高负极材料对锂离子的嵌入和脱出能力是目前提高锂离子电池容量的主要途径，因此对负极材料尤 其是碳材料的研究备受关注。锂电池最初始是以金属锂作为负极，但金属锂 作为负极电池在充放电过程中会出现严重的析锂现象， 产生的锂枝晶会刺穿隔膜导致电池内部短路，进一步对电池的安全产生威胁。后来，具有层状结构的石墨炭材料便成为主流的负极材料。
负极材料主要分为碳材料与非碳材料2大类。碳材料是指碳基体系，主要包括天然石墨、人造石墨、复合石墨等。非碳材料主要包括硅基材料、锡基材料、钛酸锂等。目前，可作为锂离子电池负极材料的种类有很多，但能够达到量产并成功商业化使用的主要还是石墨系的负极材料，具体包括天然石墨和人 造石墨。
表一
正极电化学电池中的正极通常由金属氧化物、硫化物或氧构成。例如，铅酸电池的正极由纯二氧化铅制成，通常由涂在铅合金网格上的氧化铅形成。在放电过程中，正极接受来自外部电路的电子，电极被还原。在充电过程中，正极释放电子至外部电路并被氧化。当电池放电时，正电极是阴极，而当电池充电时，正极是阳极。
图(三)
正极材料和负极材料相互匹配，才能使电池容量得到真正提高。目前，研究主要集中在锂钴氧化物、锂镍氧化物和锂锰氧化物。锂离子电池正极材料的锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、循环性好的优点。其二维层状结构属于 α-NaFeO2 型，适合锂离子的嵌入和脱出。其理论容量为 274mAh/g，实际容量约为 140mAh/g。简单的生产工艺和电化学性质稳定性使其 率先占领市场。其合成方法主要有高温固相合成法和低 温固相合成法。锂镍氧化物的理论容量为 274mAh/g，实际容量可达 190~210 mAh /g。其自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低。与 LiCoO2 相比，LiNiO2 具有一定的优势。锂锰氧化物理论容量为 283mAh/g，实际容量在160~190 mAh/g 之间。其突出优点是稳定性好，无污染，工作电压高，成本低廉。锂锰化合物是传统正极材料EMD的改性物，目前应用较多的是尖晶石型 LixMn2O4，其具有三维隧道结构，比层间化合物更利于 Li+ 的嵌入与脱出。
电解液电解质是一种离子导体，为电极之间的离子电荷转移提供了介质。电解质含有特定的溶质(固体聚合物电解质可能存在)，溶质提供这种离子电导性。表(一)中列出的电化学电池使用液体电解质，其中溶剂是水，离子电荷转移通过酸(H2SO4)、碱(KOH)或盐(ZnCl2)完成。使用液体电解质的电池的终端电压小于2伏，因为液体中的氧和氢在较高的电压下会解离。锂离子电池通常使用非水相电解质，因为锂电池的整体电压远高于2V。在放电过程中，带正电荷的离子(阳离子)通过电解质向正极移动，而带负电荷的离子(阴离子)通过电解质向负极移动。在充电过程中，相反的：阳离子向负极移动，阴离子向正极移动。
图(四)
温度影响电解液的性质。过低的工作温度会带来电解液黏度增大、电池内阻增大、电池可逆容量下降、电化学反应路径改变等问题; 过高的工作温度则会对电解液/电极界面、电极材料稳定性带来挑战, 带来副反应增多的问题。尽管固态电解质在高温下具有一定优势, 但是使用固态电解质需要革新现有电池生产体系, 会带来额外的成本, 因此现阶段较为可行的方案是优化液态电解 液组成, 以此解决高、低温电池所面临的问题。目前商业电解液使用的LiPF6具有电导率高、与石墨负极兼容且热稳定性较好等优点, 但是LiPF6极易与水发生分解反应。高温下, LiPF6的分解反应更容易发生. 即使在痕量 水存在的情况下, LiPF6也会发生水解, 生成HF, 腐蚀电池内各种材料。
隔膜锂离子通过电解液在正负极之间来回移动来完成电池的充放电过程，隔膜阻止正负极接触但允许锂离子自由通过，其成本占比约为10%~ 20%。隔膜性能的优劣直接影响电池内阻、放电容量、循环使用寿命以及电池安全性能。目前市售的隔膜材质主要为聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)，产品主要有PE单层、PE多层、PP单层和PP/PE/PP三层 。锂电池隔膜需具备以下性能。①稳定性高。为防止电池短路，隔膜需具有良好的绝缘性以达到隔离正负极的作用；由于电解液的溶剂大多为强极性的有机化合物，这就要求隔膜要有足够的化学稳定性，避免被电池电解液腐蚀，保证电池寿命；足够的拉伸强度和较小的收缩率可以有效防止隔膜变形。②一致性好。隔膜在保证一定力学强度的情况下要做到尽可能薄，在保证一定孔径的情况下做到孔隙率尽可能大，既要有良好的透过性又要对电解 液具有较好的浸润能力，才能保证隔膜较低的电阻 和较高的离子导电性，从而提升电池能量密度和充 放电性能。③安全性高。隔膜要具有足够的穿刺强 度和尽可能高的熔化温度以及合适的闭孔温度，既 可以防止锂枝晶刺穿隔膜或隔膜融化造成电池短路，又可以防止电池过热。
图(五)
集流体集流体附着在电极材料上或与电极材料混合的电子导体。电流集流体不参与电池的化学反应，可以降低电极的电阻，便于电流的流入与流出。例如在锂离子电池中，负极集流体通常由铜箔制成，而正极集电器通常由铝箔制成。干电池正极中的集流体是碳。
图(三)
电池能量密度的提升与其质量密切相关，通过减少电池中的非活性成分(如隔膜和集流体) 的用量可以有效提升电机性能。集流 体作为正极材料和负极材料电子传输的载体，在电池的充放电过程中并没有提供任何的容量，同时，铝箔和铜箔的密度均较大，这种存在于电池内的“死质量”严重影响其能量密度。因此，如何用更轻的材料去取代传统的金属集流体是提高电池能量密度发展的一个重要方向。高分子复合金属集流体在改善锂离子电池的安全性和提升电池的能量密度上有非常明显的的优势。以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚丙烯(PP)薄膜为代表制备的镀铝复合膜在包装领 域占有巨大的市场。
参考文献
[1]石墨负极材料的发展历史与研究进展
[2]动力电池负极材料行业 发展现状及市场投资前景分析
[3]高容量锂离子电池正极材料的研究进展
[4]宽温域锂电池电解液研究进展
[5]高安全锂离子电池复合集流体的界面强化
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