鋰離子電池(如圖 2－3 所示)是指采用可以可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的變價(jià)金屬化合物做為正極、采用可以可逆地插入與脫插鋰離子的材料做為負(fù)極，從而通過(guò)鋰離子在正負(fù)極之間的遷移來(lái)工作的二次電池。由于電池充電與放電時(shí)，鋰離子是在正、負(fù)極間進(jìn)行交換，故鋰離子電池又稱(chēng)為 搖椅式電池。

下面以鈷酸鋰電池(LiCoO₂—Li_xC₆)為例來(lái)加以詳細(xì)說(shuō)明。在鈷酸鋰鋰離子電池中，正極材料為鈷酸鋰(即氧化鈷鋰—LiCoO₂)， 此時(shí)的 Co 為＋3 價(jià)。LiCoO₂ 可以看做是 Li^＋嵌入 CoO₂(CoO₂ 中的 Co 為＋4 價(jià))所得。負(fù)極材料是石墨，注意石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間是微弱的范德華力，層內(nèi) C 原子通過(guò) sp² 雜化構(gòu)成平面六邊形，層內(nèi)有未參與雜化的 p 電子可以在其中自由運(yùn)動(dòng)。

將負(fù)極材料石墨與正極材料鈷酸鋰連接時(shí)并沒(méi)有電流產(chǎn)生。在鋰離子電池生產(chǎn)工藝中，鋰離子電池生產(chǎn)中很重要的一步、也是在接近電池完成 時(shí)的一步重要工序叫做“化成”過(guò)程，即給鋰離子電池充電的過(guò)程，充電后負(fù)極才有鋰離子存在。充電時(shí)，伴隨著外電路的電子到達(dá)負(fù)極，同時(shí)有部分如 x 個(gè)鋰離子(不超過(guò)原鋰離子的一半)從正極 LiCoO₂ 中脫嵌，經(jīng)過(guò)電解液和隔膜后插入到石墨層間(如圖 2－4 所示)，構(gòu)成了插層化合物 Li_xC₆(如圖 2－5 所示)。

這里需要說(shuō)明的有兩點(diǎn)；

①鋰離子從正極脫嵌時(shí)，并不是正極鈷酸鋰中所有的鋰離子均脫嵌，只能有部分如 x 個(gè)鋰離子脫嵌， x 不能等于 1，否則鈷酸鋰的框架結(jié)構(gòu)將會(huì)坍塌(看來(lái)鈷酸鋰晶體的大廈 是由 Co、O、Li 三種元素共同支撐的，一旦 Li 全部失去，余下的 Co 與 O 形成 CoO₂，那么鈷酸鋰晶體的大廈將坍塌；如果只失去部分 Li，最多失去一半的 L i，那么這個(gè)大廈將由失去 Li 后的 CoO₂ 和原來(lái)遺留下來(lái)的 LiCoO₂ 可以勉力共同支撐)。所以 x 值通常取 0.5，即在電池設(shè)計(jì)時(shí)，如果充滿電，此時(shí) x=0.5；

②電池的化成過(guò)程即預(yù)充電過(guò)程中，鋰離子移動(dòng)到負(fù)極，外電路等量的電子同時(shí)到達(dá)負(fù)極，而“鋰離子＋電子”的組合，正 是金屬 Li 原子。因此當(dāng)鋰離子伴隨著電子同時(shí)進(jìn)入石墨中時(shí)，鋰離子插入到石墨層間，完全可以看做是金屬陽(yáng)離子 Li^＋沉浸在自由電子的海洋中， 構(gòu)成了金屬晶體 Li 與石墨的關(guān)系，這種關(guān)系可以類(lèi)比于合金，金屬鋰單質(zhì)被碳所束縛，Li_xC₆ 被稱(chēng)為插層化合物或?qū)娱g化合物。從專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，負(fù)極材料鋰離子的來(lái)去叫插入和脫插，正極材料鋰離子的來(lái)去叫嵌入和脫嵌。

因此鋰離子電池的工作原理就是原電池原理。放電時(shí)，Li 原子失去電子，電子經(jīng)外電路、Li^＋從石墨層間脫插進(jìn)入電解液，與電子同時(shí)移向正極， 在正極得電子的同時(shí)，x 個(gè) Li^＋嵌入到正極 Li_1－XCoO₂ 中形成 LiCoO₂。故放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)可以寫(xiě)作：Li_xC₆－xe^-==xLi^＋＋6C；在正極，得電子的元素是高價(jià)態(tài)金屬元素 Co，正極反應(yīng)為：Li_1－XCoO₂＋xLi^＋＋xe^-==LiCoO₂。放電時(shí)的總反應(yīng)為：LixC₆＋L i_1－xCoO₂== L iCoO₂＋6C。

充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌， 插入到石墨層中，陽(yáng)極反應(yīng)為：LiCoO₂－xe^-==Li_1－XCoO₂＋xLi^＋；陰極反應(yīng)為：6C＋xLi^＋＋xe^-== Li_xC₆。那么也就容易理解，鋰離子電池的電容量取決于放 電時(shí)能從負(fù)極回到正極中的 Li^＋的數(shù)量。能從負(fù)極脫插，嵌入到正極的 Li^＋ 越多，鋰離子放電容量越大。

除鈷酸鋰電池外，其它常見(jiàn)的鋰離子電池的正極材料還有磷酸亞鐵鋰 (LiFePO₄)、鎳酸鋰(LiNiO₂)錳酸鋰(LiMn₂O₄)等。它們都是以鋁作為集流體(起承載電極、匯集電流的作用)。典型負(fù)極材料是石墨，采用銅作為集流體。工作原理與鈷酸鋰電池相同(如圖 2－6 所示)。

如磷酸亞鐵鋰電池(LiFePO₄—Li_xC₆)，

放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)為：Li_xC₆－xe^-==xLi^＋＋6C；

正極反應(yīng)為 ：Li_1－XFePO₄＋xLi^＋＋xe^-==LiFePO₄ 。

充電時(shí)陽(yáng)極反應(yīng) 為 ：LiFePO₄－xe^-==Li_1－XFePO₄＋xLi^＋；

陰極反應(yīng)為：6C＋xLi^＋＋xe^-== LixC₆。