锂离子电池是一种可充电的电池，充放电时，锂离子在正负电极之间迁移。它以化学形式储存能量，并通过外部电路以电的形式释放能量。这一名称指的是一类技术，而非某一种化学组成。锂离子电池兼具重量较轻、可反复充电和储能能力较强等特点，因此广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和固定式储能系统。常规锂离子电池通常将锂储存在电极材料内部，而不使用块体金属锂负极。(nobelprize.org)
工作原理
一个电芯包含两个电极、电解质和隔膜。放电时，锂离子离开负极，经电解质向正极迁移。与此同时，电子流经外部电路，提供电力。充电时，外部电源驱动上述过程反向进行。隔膜通过阻止电极直接接触来避免电子在两极之间直接传导，同时允许离子通过充满电解质的孔隙迁移。(energy.gov)
许多电极材料通过嵌入机制储存锂：离子进入主体结构中的空隙，随后又可从中脱出。在常用的负极材料石墨中，锂占据碳层之间的位置。这种可逆的储存机制使电池能够反复充放电，不过，不利的副反应会逐渐改变电芯。其他电极材料，包括含硅材料，可以通过不同的机制储存锂。(aps.anl.gov)
电池文献通常根据放电时的作用，将负极称为阳极，将正极称为阴极。严格的电化学术语则按氧化和还原反应来定义这两个名称，因此，充电时两极在反应中的角色会反转。(nobelprize.org)
材料与结构
常规电芯的电解质通常由溶解在有机碳酸酯溶剂中的锂盐组成。电解质既要能够传导离子，也要与两极表面保持相容。电极之间设有多孔聚合物隔膜；金属集流体负责在活性材料与接线端子之间传导电子。电极层经堆叠或卷绕后，装入圆柱形壳体、刚性方形壳体或柔性复合膜软包中。这些形状描述的是封装形式，而非内部电极的化学组成。(publications.anl.gov)
正极材料对电压、容量、成本和热特性有很大影响。重要的材料类别包括钴酸锂、通常缩写为 NMC 的镍锰钴酸锂，以及缩写为 LFP 的磷酸铁锂。含钴层状氧化物可以提供较高的储能能力，而磷酸铁锂通常具有更高的热稳定性和良好的循环性能，代价是工作电压和能量密度较低。磷酸铁锂的正极活性材料既不含镍，也不含钴。没有哪一种化学组成能够同时使所有性能指标达到最优。(energy.gov)
电池包将电芯与电气连接件、结构支撑件、监测电子装置以及必要时使用的冷却设备组合在一起。因此，单个电芯的性能并不直接等同于完整电池系统的性能：封装和配套部件会增加系统的质量和体积。(energy.gov)
历史发展
20 世纪 70 年代，M·斯坦利·惠廷厄姆开发了一种可充电锂电池，采用二硫化钛正极和锂基负极。它的工作过程证明了锂嵌入机制的实用价值，但反应活性较高的负极带来了安全问题。1980 年，约翰·B·古迪纳夫证明，含锂钴氧化物正极能够产生显著更高的电压。(nobelprize.org)
1985 年，吉野彰提出了一种具备商业应用可行性的设计，将钴氧化物电极与石油焦结合使用。石油焦是一种能够容纳锂的碳材料，因此不再需要金属锂负极。锂离子电池于 1991 年进入商业市场。古迪纳夫、惠廷厄姆和吉野彰因对锂离子电池开发作出的贡献，共同获得了 2019 年诺贝尔化学奖。(nobelprize.org)
性能与应用
电池性能需要用多个不同的指标来衡量。容量衡量电芯能够输出的电荷量，通常以安时表示。储存的电能通常以瓦时表示，其大小还取决于电压。能量密度指单位体积所含的能量，比能量则指单位质量所含的能量。功率关注的是能量输出的快慢，而不是储存了多少能量。这些量取决于化学组成、结构和工作条件。(energy.gov)
锂离子电池为智能手机、笔记本电脑及其他便携式设备供电。规模更大的系统则为电动汽车提供驱动所需的能量，或为电网储存电能。固定式储能设施可以将可再生能源产生的电力从发电时段转移到用电需求时段使用。某种电池是否适用，取决于应用对能量、功率、寿命、成本和安全性的综合要求。(nobelprize.org)
老化与安全
电池既会因反复充放电而老化，也会随储存时间的延长而老化。老化机制包括可用锂的损失、活性材料颗粒的损伤，以及电极与电解质界面的变化。固体电解质界面膜是一层表面膜，有助于保护负极，防止电解质持续分解。然而，这层膜的增厚或反复破损仍会消耗锂，导致容量衰减。衰退程度取决于温度、使用历史和材料组成。(publications.anl.gov)
机械损伤、不当电气使用或过度受热都可能引发热失控，即一连串不断自我加速的放热反应。易燃电解质和释放的气体可能助长火灾，而故障电芯产生的热量也可能影响相邻电芯。因此，材料选择、热管理、保护性电子装置和电池包设计共同构成了相互补充的多层安全保障。(nrel.gov)
回收利用与进一步发展
回收利用可以回收有价值的电池材料。火法冶金利用高温回收金属，湿法冶金则采用液相浸出和分离工艺。直接回收旨在保留或恢复经过专门设计的电极材料，而不是先将其分解为各个组分。部分废旧电池还可以在回收前接受评估，以确定能否修复或改作其他用途。(epa.gov)
研究方向包括开发容量更高的电极、更稳定的电解质，改进制造工艺，以及降低对钴的依赖。固态电池以能够传导离子的固体材料取代常规液态电解质。固态结构与锂离子电池的化学体系并不等同：固态设计既可以采用嵌入型电极，也可以采用金属锂负极，而两者面临的界面和耐久性挑战各不相同。(energy.gov)