“摇椅电池”原理

锂电池的出现替代曾经一次电池，动力锂离子电池是由化学家John Goodenough及其同事Phil Wiseman，Koichi Mizushima和Phil Jones 在1970年代于牛津大学研发的 。于1980年，他们的研究发表，并由索尼公司转化为商业技术，索尼公司在1990年代初生产了第一批锂离子电池。从那时起，它们就变得司空见惯：每年生产约50亿只（根据2013年的彭博新闻报道），其中大部分在中国。自1991年左右以来就已得到广泛使用，我们用的手机，笔记本电脑和MP3播放器都是锂离子电池。但是锂电池原理确是在1912年由美国化学家吉尔伯特·刘易斯（Gilbert Lewis）（1875–1946）首次发现的。

图1 电池应用于各行各业

锂离子电池工作原理

锂离子电池充放电原理如图2所示（以LiCoO2为正极，以炭为负极）。

充电正极上发生的反应为

LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)

充电负极上发生的反应为

6C+XLi++Xe- = LixC6

充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

或者以锂铁磷酸盐为正极材料（主流）

正极

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。 充电时：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。

负极

负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

充电时：xLi+ + xe- + 6C → LixC6

放电时：LixC6→ xLi+ + xe- + 6C

锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。