锂离子电池的基本工作原理就是通过锂离子在正负极之间来回脱嵌进行充放电。为什么锂离子能够在正负极材料中脱嵌而不导致结构坍塌呢？本文基于一些文献进行简单的总结。
1.晶体结构设计（层状/框架结构）
正极材料：
层状结构氧化物（如LiCoO、LiNiMnCoO）： 其氧原子立方密排的晶格框架具有刚性，锂离子占据八面体位点形成二维扩散通道。键间强共价性质（如Co-O键结合能301.8 kJ/mol）提供结构支撑，允许锂离子在(001)晶面自由脱嵌。
尖晶石结构（如LiMnO）：三维锂离子扩散通道（8a→16c→8a位置），锰的八面体骨架在锂离子脱出后仅产生2.2%晶胞体积变化。
橄榄石结构（如LiFePO）：PO四面体通过强P-O共价键形成稳定三维框架，电化学循环中晶胞体积仅变化6.8%，多相界面处锂离子扩散能垒≤0.3 eV。
负极材料：
石墨层状结构（层间距0.335 nm）： 锂离子嵌入形成LiC化合物，c轴方向膨胀率仅10%~13%，六边形碳环平面上的sp²杂化共价键提供机械稳定性。
2.化学键支撑体系
正极材料M-O键（M=Co/Ni/Mn）的键能普遍>300 kJ/mol，形成稳定的氧离子晶格。以LiCoO为例，Co³的电子构型(tg)通过Jahn-Teller效应抑制晶格畸变。
石墨的C-C键能（~348 kJ/mol）和层间范德华力（~1.2 kJ/mol）共同维持结构完整性。富镍三元材料（NCM811）引入Al³掺杂可提升八面体位错能至>200 mJ/m²。
3.动力学优化
离子扩散通道设计：LiFePO的1D锂离子通道（沿b轴）通过碳包覆将室温锂扩散系数提升至10¹ cm²/s量级。TiO@C负极的赝电容贡献率可达72%，0.5C循环200次容量保持率>95%。
电子导电网络：添加5% Super-P碳黑使LiFePO电子电导率从10 S/cm提升至10³ S/cm。石墨/硅复合负极中碳纳米管构建的三维导电网络可将循环效率提升至99.2%
4.机械应力管理
晶格参数匹配：磷酸锰铁锂中Fe/Mn协同作用，脱锂时（110）晶面间距变化率仅0.9%。
梯度化设计：核壳结构LiNi.Co.Mn.O核心富镍（88%）、壳层富锰（15%），循环100次体积膨胀率<3%。
应力缓冲：硅碳负极采用蛋黄-壳结构，中空3D石墨烯外壳（比表面积1500 m²/g）可吸收120%的体积膨胀。
5.表面钝化机制
CEI/SEI膜保护：LiPF基电解液在4.3V时生成的CEI膜（厚度~5 nm）含LiF（40%）、LiPOyFz（30%），降低过渡金属溶解速率至<0.5 μg/cm²/cycle。 石墨表面SEI膜双层结构：内层（LiO，LiCO）提供机械强度（弹性模量≥50 GPa），外层聚合物（(CHOCOLi)）维持柔性。
这些结构设计、化学键特性与界面工程的综合作用，确保了锂离子在脱嵌过程中的晶格稳定性，从而实现电池的长循环寿命。
以上内容均为本人日常工作，交流，阅读文献所得，由于本人能力有限，文中阐述观点难免会有疏漏，欢迎业内同仁积极交流，共同进步！
参考资料（锂电解码资料库可下载）：
1.Comparative study of Sn-doped Li[Ni0.6Mn0.2Co0.2-xSnx]O2 cathode active materials (x=0-0.5) for lithium ion batteries regarding electrochemical performance and structural stability，M. Eilers-Rethwisch
2.锂离子电池基础科学问题（Ⅻ）——表征方法，李文俊
3.Synthesis and characterization of LiNi0.6Mn0.4−xCoxO2 as cathode materials for Li-ion batteries，Jiangang Li
原文标题 : 锂离子为什么能在正负极来回脱嵌，材料的结构不坍塌?
