锂离子电池(如图 2－3 所示)是指采用可以可逆地嵌入与脱嵌锂离子的变价金属化合物做为正极、采用可以可逆地插入与脱插锂离子的材料做为负极，从而通过锂离子在正负极之间的迁移来工作的二次电池。由于电池充电与放电时，锂离子是在正、负极间进行交换，故锂离子电池又称为 摇椅式电池。

下面以钴酸锂电池(LiCoO₂—Li_xC₆)为例来加以详细说明。在钴酸锂锂离子电池中，正极材料为钴酸锂(即氧化钴锂—LiCoO₂)， 此时的 Co 为＋3 价。LiCoO₂ 可以看做是 Li^＋嵌入 CoO₂(CoO₂ 中的 Co 为＋4 价)所得。负极材料是石墨，注意石墨是层状结构，层与层之间是微弱的范德华力，层内 C 原子通过 sp² 杂化构成平面六边形，层内有未参与杂化的 p 电子可以在其中自由运动。

将负极材料石墨与正极材料钴酸锂连接时并没有电流产生。在锂离子电池生产工艺中，锂离子电池生产中很重要的一步、也是在接近电池完成 时的一步重要工序叫做“化成”过程，即给锂离子电池充电的过程，充电后负极才有锂离子存在。充电时，伴随着外电路的电子到达负极，同时有部分如 x 个锂离子(不超过原锂离子的一半)从正极 LiCoO₂ 中脱嵌，经过电解液和隔膜后插入到石墨层间(如图 2－4 所示)，构成了插层化合物 Li_xC₆(如图 2－5 所示)。

这里需要说明的有两点；

①锂离子从正极脱嵌时，并不是正极钴酸锂中所有的锂离子均脱嵌，只能有部分如 x 个锂离子脱嵌， x 不能等于 1，否则钴酸锂的框架结构将会坍塌(看来钴酸锂晶体的大厦 是由 Co、O、Li 三种元素共同支撑的，一旦 Li 全部失去，余下的 Co 与 O 形成 CoO₂，那么钴酸锂晶体的大厦将坍塌；如果只失去部分 Li，最多失去一半的 L i，那么这个大厦将由失去 Li 后的 CoO₂ 和原来遗留下来的 LiCoO₂ 可以勉力共同支撑)。所以 x 值通常取 0.5，即在电池设计时，如果充满电，此时 x=0.5；

②电池的化成过程即预充电过程中，锂离子移动到负极，外电路等量的电子同时到达负极，而“锂离子＋电子”的组合，正 是金属 Li 原子。因此当锂离子伴随着电子同时进入石墨中时，锂离子插入到石墨层间，完全可以看做是金属阳离子 Li^＋沉浸在自由电子的海洋中， 构成了金属晶体 Li 与石墨的关系，这种关系可以类比于合金，金属锂单质被碳所束缚，Li_xC₆ 被称为插层化合物或层间化合物。从专业术语来说，负极材料锂离子的来去叫插入和脱插，正极材料锂离子的来去叫嵌入和脱嵌。

因此锂离子电池的工作原理就是原电池原理。放电时，Li 原子失去电子，电子经外电路、Li^＋从石墨层间脱插进入电解液，与电子同时移向正极， 在正极得电子的同时，x 个 Li^＋嵌入到正极 Li_1－XCoO₂ 中形成 LiCoO₂。故放电时的负极反应可以写作：Li_xC₆－xe^-==xLi^＋＋6C；在正极，得电子的元素是高价态金属元素 Co，正极反应为：Li_1－XCoO₂＋xLi^＋＋xe^-==LiCoO₂。放电时的总反应为：LixC₆＋L i_1－xCoO₂== L iCoO₂＋6C。

充电时，锂离子从正极脱嵌， 插入到石墨层中，阳极反应为：LiCoO₂－xe^-==Li_1－XCoO₂＋xLi^＋；阴极反应为：6C＋xLi^＋＋xe^-== Li_xC₆。那么也就容易理解，锂离子电池的电容量取决于放 电时能从负极回到正极中的 Li^＋的数量。能从负极脱插，嵌入到正极的 Li^＋ 越多，锂离子放电容量越大。

除钴酸锂电池外，其它常见的锂离子电池的正极材料还有磷酸亚铁锂 (LiFePO₄)、镍酸锂(LiNiO₂)锰酸锂(LiMn₂O₄)等。它们都是以铝作为集流体(起承载电极、汇集电流的作用)。典型负极材料是石墨，采用铜作为集流体。工作原理与钴酸锂电池相同(如图 2－6 所示)。

如磷酸亚铁锂电池(LiFePO₄—Li_xC₆)，

放电时的负极反应为：Li_xC₆－xe^-==xLi^＋＋6C；

正极反应为 ：Li_1－XFePO₄＋xLi^＋＋xe^-==LiFePO₄ 。

充电时阳极反应 为 ：LiFePO₄－xe^-==Li_1－XFePO₄＋xLi^＋；

阴极反应为：6C＋xLi^＋＋xe^-== LixC₆。