隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們需要能量高、體積小、重量輕、安全可靠的電源作為便攜式電子產(chǎn)品和電動車輛的動力源。鋰離子電池利用氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)了充放電的功能。其憑借高比能量、高電壓、充放電次數(shù)多等優(yōu)勢，近年來取得了迅猛的發(fā)展，正在不斷改進和提高我們的生活質(zhì)量。在最近幾年的高考命題中，以鋰離子電池作為背景的試題屢見不鮮，其應(yīng)用和最新發(fā)展以及背后隱藏的諸多安全問題需要引起我們廣泛的關(guān)注！

1.鋰離子電池的工作原理

正極材料一般選擇LiCoO2，Li2MnO3，LiFePO4等，負極材料多采用石墨。下面以LiFePO4作正極材料為例給出正負極的充放電反應(yīng)式。正極充電時：

LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-，

正極放電時：

Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4；

負極充電時：

xLi++xe-+6C→LixC6

負極放電時：

LixC6→xLi++xe-+6C

電解質(zhì)溶質(zhì)多數(shù)采鋰鹽，而溶劑的通常選擇機溶劑。當電池充電時，電池正極材料中的鋰離子結(jié)合電子部分脫離正極，進入溶液中形成游離的鋰離子，隨著鋰離子濃度的升高，鋰離子不斷向負極擴散，負極從溶液中結(jié)合電子并吸收部分鋰離子。為了鋰離子能更好地與負極材料結(jié)合，通常選用疏松多孔的石墨作為負極，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，石墨烯等更優(yōu)質(zhì)的材料也投入使用中。充電容量由鋰離子結(jié)合的數(shù)量決定，結(jié)合的數(shù)量越多，其充電電容就越大。放電時鋰離子和電子遷移過程與充電時類似，當電池被放電時，鋰離子從石墨上跟隨電子一同離開，并融入電解液中，負極的材料變?yōu)槲磁c鋰離子結(jié)合的石墨，此時電解液中的游離的鋰離子和電子再結(jié)合生產(chǎn)鋰酸鹽，形成完整的鋰酸鹽。放電容量與返回的鋰離子數(shù)量呈正相關(guān)。

2.鋰離子電池的性能

2.1鋰離子電池的優(yōu)點

鋰離子電池的正常輸出電壓在3.7v左右，是鎳氫電池的三倍。比能量很高。一般充放電次數(shù)可達數(shù)百次甚至上千次。室溫貯存鋰離子的自放電率約為2%，遠低于25-30%的鎘鎳電池和30-35%的鎳氫電池。并且充電速度快，工作溫度適應(yīng)性強。具備高功率承受力，這一點無疑對電動汽車的啟動加速提供了強大的支持。鋰離子電池可以重復(fù)使用，減少了材料的消耗，且使用過程中不排放有毒氣體和溫室氣體，也無廢渣廢料的產(chǎn)生。

2.2鋰離子電池的缺點

鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在±1%之內(nèi)。放電時放電電流不能過大，過大的電流導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，有可能會造成永久性的損害。并且不能過放電，鋰電池內(nèi)部存儲電能是靠電化學(xué)一種可逆的化學(xué)變化實現(xiàn)的，過度的放電會導(dǎo)致這種化學(xué)變化有不可逆的反應(yīng)發(fā)生，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導(dǎo)致電池報廢。

3.鋰離子電池在數(shù)碼產(chǎn)品上的應(yīng)用

3.1目前我國鋰離子電池的應(yīng)用狀況

據(jù)中國化工物理電力行業(yè)協(xié)會介紹，中國目前國內(nèi)電池產(chǎn)量突破百億，在世界電池制造商。隨著鎳鎘電池的不斷萎縮，以及用戶對手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機等電池的需求不斷增加。鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化迅速發(fā)展。鋰離子電池的國內(nèi)需求將隨著筆記本電腦的生產(chǎn)力增長而迅速擴展市場。近年來，筆記本電池每年的國內(nèi)需求支撐約超過15萬，約35％的年均增長。

3.2鈷酸鋰離子電池與鋰聚合物電池的對比

鋰離子電池的放電量與溫度有關(guān)，溫度過低時，電池釋放的能量大大減少。容量的減少導(dǎo)致電壓的降低。當環(huán)境溫度變得更低，鋰離子移動變慢，鋰離子從正負極的擴散系數(shù)也降低。再加上電解液的電阻，鋰就被粘住了。蘋果手機中的鈷酸鋰離子電池在低溫條件下掉電很快，甚至出現(xiàn)冬天40%的電量就自動關(guān)機的狀況。而像華為等一些品牌的手機中采用聚合物鋰電池，聚合物鋰電池在-10°C~60°C內(nèi)可以正常放電。工作溫度范圍的擴大使其對低溫環(huán)境有了更好的適應(yīng)性。

4.鋰離子電池的安全問題

因鋰離子電池化學(xué)性質(zhì)活潑、易燃易爆，需要對其增加多種保護機制，如，保護電路，能夠防止過充放電，過熱。增加排氣孔：在殼體表面畫一條線或一個孔，比殼體表面薄一點。電池短路時，會迅速產(chǎn)生大量氣體，氣體在高壓下可以通過防爆孔處排出，從而防止鋰離子電池發(fā)生爆炸。鋰的金屬性較活潑，當鋰與空氣相接觸時，金屬鋰會與氧氣以及空氣中的水蒸氣發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)從而引起爆炸。為了提高安全性和電壓，本發(fā)明和石墨材料的如氧化鋰鈷的科學(xué)家鋰原子存儲。這些材料形成微小的納米級儲存格，可以用來儲存鋰原子，使其不會在電池破損的情況下暴露在外。因此，即便電池外殼因外力受損破裂時，空氣中的氧氣進入電池，但因為氧氣分子體積尺寸過大無法與納米級的儲存格中的鋰離子接觸，更不會與其發(fā)生反應(yīng)，進而阻止了鋰離子電池的爆炸。

鋰離子電池在特定機制的保護下使它同時獲得高的比能量，也能解決安全方面的問題。充電時，電解液中的鋰離子通過和負極上的電子結(jié)合形成鋰原子，并且儲存在負極中這一過程消耗了負極上的電荷，使外電路的電流得以流通。為了防止直接觸摸正極和負極而造成電池短路，將連同一種隔離紙的具有細胞內(nèi)的大量的孔，以防止短路。隔膜還可以起到防止電池爆炸等危險事故的發(fā)生的作用，用特定材料制成的隔膜紙可以隨電池溫度調(diào)整細孔的開閉，當溫度超過某個數(shù)值時，細孔會自動閉合，使鋰離子不能通過，從而阻止了充電進程，進而避免危險的發(fā)生。