锂离子电池
可充放电的蓄电池。具备电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好等特点。
发展历程
1970年，埃克森公司的M.S.惠廷厄姆[注]发现以二硫化钛（TiS2）作为正极材料，与金属锂匹配的电池电压高达2伏。然而，由于金属锂活性高，枝晶生成与不可控生长导致了电池迅速失效，严重时可能引起爆炸，存在极大的安全隐患。1980年，J.B.古迪纳夫[注]发现钴酸锂（LiCoO2）层状材料，可将电压提高到4伏。钴酸锂材料的研发是锂离子电池领域的重大突破，仍是锂离子电池的主力正极材料。1985年，日本科学家吉野彰[注]采用石油焦作为负极，匹配钴酸锂材料，发明了可用于商业的锂离子电池。1991年，日本索尼公司正式发布了首个商用锂离子电池。1997年，古迪纳夫发现磷酸铁锂（LiFePO4）材料具备高容量、高循环稳定性以及高安全性等特点，可以满足锂离子电池的要求，也是商业化正极材料之一。2000年以来，锂离子电池发展进入新阶段，开发兼备高安全性及高能量密度的锂离子电池成为研究热点。惠廷厄姆、古迪纳夫、吉野彰也因发展锂离子电池共同获得2019年诺贝尔化学奖。 锂离子电池主要组成包括正/负极材料、集流体、电解质、隔膜以及合适的电池外壳等（图1）。常见的正极材料有磷酸铁锂（LiFePO4）、钴酸锂（LiCoO2）以及锰酸锂（Li2MnO3）等。负极材料多采用石墨。正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。电解质包括聚合物类电解质以及非水系液态电解质。隔膜一般为多孔聚合物，既不影响锂离子的输运也能有效隔绝正负极直接接触，避免工作状态下发生的电池短路。
工作原理
电池充电过程中，锂离子从正极材料中脱嵌，经电解质输运通过隔膜向负极迁移，得到电子后嵌入负极材料晶格中（图2）；放电过程中，负极材料嵌入的锂会失去电子成为锂离子，重新迁移到正极材料晶格中。
以LiFePO4和石墨负极匹配的锂离子电池为例，其充电过程中反应如下，放电过程即为如下反应的逆过程。
正极反应：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-
负极反应：xLi++xe-+C→LixC
电池总反应：LiFePO4+C→Li1-xFePO4+LixC
