电池原理与分类

1 电池基础知识

电池目前大量应用于我们的生活中，主要包括3C消费类、动力类、储能类。

图1 电池应用方向

备注：3C指的是计算机(Computer )、通讯（Communication）消费类电子产品（Consumer Electronic）三类电子产品的简称

2 电池原理

电池里有使用金属材料的正电极（正极）和负电极（负极），借由离子而导电的物质（电解质）充满在正负极之间。金属电极被电解质熔化，分为离子和电子，电子从负极向正极移动产生电流，这时便产生电。二次电池是在开始使用电池之前通过充电，预先将电子储蓄在负极，使用电池时储蓄的电子向正极移动从而产生电。

图2 电池构造

3 电池构成

1. 正极：复合锂材料+导电剂+粘合剂+集流体
2. 负极：石墨+导电剂+粘合剂+集流体
3. 电解液：由有机溶剂、电解质、添加剂在一定条件下，按照一定比例配置而成，是正负极离子传输的通道
4. 隔膜：单层PE+陶瓷&聚合物

4 电池分类

电池按照材料组成材料的不同可以分为：铅酸电池、锂电池
石墨烯电池、固态电池等。

4.1 铅酸电池

铅蓄电池是一百多年前就使用的历史悠久的电池，在锂离子电池等新型电池开发问世的现今，依然还继续用作部分汽车和电瓶车的蓄电池。铅蓄电池的正负极材料都使用铅，因而与锂离子电池相比，制造成本非常廉价。但由于铅比其他金属重，因此蓄电池自身也就重。此外电压最高只能到2V，自放电大也是铅蓄电池的缺点。虽然铅蓄电池有着这些缺点，但是因为它的廉价，以及技术基本成熟，可靠性高，依然还是有不错的应用价值。

铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

图3 铅酸电池的化学反应
放电化学反应
铅酸蓄电池中的正极活性物质（二氧化铅）与负极活性物质（海绵铅）和电解液（30%-40%的稀硫酸溶液），反应生成硫酸铅和水。
充电化学反应
硫酸铅和水转化为二氧化铅、海绵铅与稀硫酸。

Tips：铅酸电池因为电解质直接参与氧化还原反应，电解液会存在较大消耗导致电池容量下降或者提前失效，因此铅酸电池需要及时补充电解液。

4.2 锂电池

锂离子电池是预先在正极使用含锂金属化合物，负极使用能吸储锂的碳(石墨)。通过这样的结构，无须如传统电池一般由电解质熔化电极就能发电，从而减缓了电池本身的老化，不仅能储蓄更多的电，充放电的次数也得以增加。此外，锂是非常小而轻的物质，从而能使电池具有小型轻量化等各种优点。

充电过程：正极的Li原子分解成Li+离子+电子，Li+离子通过电解液到达负极，电子通过外电路到达负极（脱嵌）。在负极Li+离子+电子结合程Li原子（插入）。
放电过程：负极的Li原子分解成Li+离子+电子，Li+离子通过电解液到达正极，电子通过外电路到达正极（脱插）。在正极Li+离子+电子结合程Li原子（嵌入）。

4.2.2 锂电池分类

根据正极所用的金属材料的不同，锂离子电池分为几个种类。最初锂离子电池的正极所用的金属材料是钴。不过钴的产量几乎与锂同样少，也是稀有金属，制造成本高。因此开始使用廉价且环境负荷小的材料，例如锰、镍、铁等金属。锂离子电池按其所使用的材料而分类，下面来看看各种类分别都有哪些特点。

钴系锂离子电池
正极使用钴酸锂。钴酸锂比较容易合成，便于使用，因而锂离子电池最早量产的是钴酸锂离子电池。但由于钴是稀有金属，价格昂贵，几乎没有被用于汽车零件。

锰系锂离子电池
正极使用锰酸锂。优点是电压能与钴系锂离子电池差不多，而且制造成本廉价。缺点是充放电中锰可能会熔化于电解质，缩短电池的寿命。

磷酸铁系锂离子电池
正极使用磷酸铁锂。磷酸铁系锂离子电池的优点在于即使内部发热结构也难以损坏，安全性高，而且以铁为原料，制造成本比锰系更低。但是电压比其他的锂离子电池低。

三元系锂离子电池
三元系锂离子电池是为了减少钴的用量，使用钴、镍、锰三种材料制造的电池。现在三元系锂离子电池大多镍的比例较高。虽然电压比钴系、锰系略低，但能减少制造成本。不过虽说如此，各个材料的合成制备较难，稳定性低等，作为实用材料尚存在有待解决的课题。

4.3 石墨烯电池

石墨烯其实就是单层石墨，只要你能将石墨切出一片来，并且这一片只有一层原子。石墨烯电池，是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种惟有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。 利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。 由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天范畴的使用优点也是极为突出的。
1、储电量不同：一个锂电池（以最先进的为准）的比能量数值为180wh/kg，而一个石墨烯电池的比能量则超过600wh/kg。
2、使用寿命不同：石墨烯的使用寿命是锂电池的两倍，并且在高温下也比锂电池更为耐用。但是目前市面上很多宣称石墨烯的其实是石墨烯+电池，并不是真正意义上的石墨烯电池。
石墨烯+电池≠石墨烯电池
目前可以看到的，主要有两个方向，一是作为导电添加剂，二是作为负极材料。
石墨烯作为导电剂，可以促进快速充放电，但对工艺本身提出了很高的要求。常温下，石墨烯也无法做到超导，与更廉价的添加剂相比，并没有太多优势。
至于将石墨烯用作负极材料，理论上比石墨电极容量大，但性能很容易受到表面状态的影响。而且，石墨烯将遇到“一生之敌”硅的挑战，毕竟将硅作为负极材料，容量更大，而且更加唾手可及。

4.4 固态电池

固态电池是一种使用固体电极和固体电解质，后续会专门介绍。

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