锂离子电池工作原理及概述

锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

锂离子电池工作原理如图1所示，以LiCoO2/C为例：电池充放电反应方程式为LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2+LixC

锂离子电池充放电原理图

锂离子电池主要由正极、电解液、隔膜和负极等部分组成，其中，在负极材料的发展历程中，金属锂因其具有最低标准电极电势（-3.04V，vs.SHE）和高理论比容量（3860mAh/g）而被用作负极，然而在其作为负极电池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短路进一步对电池的安全产生危险。在后续的研究中Li金属负极替代材料主要集中在碳材料、金属及金属化合物等，直到1991年日本Sony公司率先将石油焦作为负极应用于商业化锂离子电池中，开创了以碳为负极材料的体系，锂离子电池就此问世。后续为了追求更高比容量人类开始研究硅基负极材料，图2为锂离子电池负极材料分类。

锂离子电池负极材料分类

石墨负极分为天然石墨与球形石墨，人造石墨负极主要是将焦类原料经过粉碎、分级、造粒、高温石墨化制成；天然石墨负极是将天然石墨原矿经过一系列的提纯，得到高纯度的石墨产品。天然石墨和人造石墨负极的剖面SEM图如图3所示，天然石墨呈现球形或者类球形，内部蓬松具有很多孔隙。人造石墨呈现不规整形状，且内部较密实。

天然石墨与人造石墨剖面SEM图

人造石墨的主要优势是循环性能好、与电解液相容性好，以及各方面指标都相对较均衡，其主要缺点是容量相对较低且成本较高；而天然石墨的主要优点为容量高、压实密度高和价格便宜，但其缺点也是显著的，例如在颗粒大小不均一、表面缺陷较多以及与电解液相容性较差，副反应较多。

人造石墨负极原料分为针状焦及石油焦。一般而言，石油焦做出的负极克容量最高在353mAh/g,，因此克容量在350mAh/g以下的人造石墨负极全部使用石油焦，克容量在355mAh/g以上全部使用针状焦，中间两者掺混使用。针状焦根据原料来源不同分为煤系针状焦及油系针状焦。其中油系针状焦在真密度、挥发等性能指标上优于煤系针状焦且更稳定，性能表现上更易石墨化但倍率性能不高，目前大多用在高端消费数码电池，其中高端数码对倍率性能存在要求的，则在负极成品工序中增加炭化工序。煤系针状焦目前大多应用在动力领域。石油焦中低硫焦用于锂电负极生产，主要应用在动力、储能市场。