锂离子电池的基本工作原理

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作。电池具有能量密度高、占地面积小、循环寿命长等优点，在生活中得到了广泛的应用。本文以锂电池为例，全面讲解锂电池的工作原理、结构和应用。

锂离子电池的主要组成

锂电池结构示意图

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正极

活性物质一般是钴酸锂或者 锰酸锂 ，镍钴锰酸锂等材料，电动车则普遍是用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本过高而逐渐淡出视野，导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。

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负极

活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。

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隔膜

正负极之间有—种经特殊成型的高分子薄膜 ，薄膜有微孔结构，使正负极隔离，防止电子穿过，同时又能使锂离子顺利通过。

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有机电解液

溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。

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电池外壳

分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。

锂电池工作原理

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锂电池充电过程

电池的正极由锂离子生成，生成的锂离子从正极“跳进”电解液里，通过电解液“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，运动到负极，与早就通过外部电路跑到负极的电子结合在一起。

●正极上发生的反应为：**LiCoO2==充电==Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)**

●负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe→LixC6

在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在负极形成LiC化合物。

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锂电池放电过程

放电时电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路径不同，电子从负极通过外部电路跑到正极；锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流充电阶段和恒压电流递减充电阶段。

锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

锂离子电池保持性能最佳的充放电方式为浅充浅放。一般60%DOD是100%DOD条件下循环寿命的2~4倍。

锂离子电池主要性能指标

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电池的容量

电池容量是 在一定条件下 （放电率、温度、终止电压等）放出的电量，通常以mAh、Ah(1Ah=1000mAh)为单位。其有额定容量和实际容量之分。电池的额定容量是指电池在环境温度为20℃±5℃条件下， 以5h率放电至终止电压时所应提供的电量 ，用C5表示。电池的实际容量是指电池 在一定的放电条件下所放出的实际电量 ，主要受放电倍率和温度的影响。如下图为磷酸铁锂电池在不同倍率下的放电电压与容量关系曲线：

（不同放电电流与容量的关系曲线图）

从上图中可以看出，电池放电电流的大小会直接影响到电池的实际容量。 放电电流越大，电池容量相应减小 ，这表明放电电流越大，到达终止电压经历的时间越短。所以谈到电池容量时，应指明其放电电流(放电倍率)。

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电池内阻

电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。由欧姆内阻与极化内阻两部分组成。 电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短 。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。电池内阻是衡量电池性能的一个重要参数。

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电压

开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差 。一般情况下，锂离子电池充满电后开路电压为4.1—4.2V左右，放电后开路电压为3.0V左右。通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态。

工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。 在电池放电工作状态下，工作电压低于开路电压，充电时则与之相反。锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。

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放电平台时间

放电平台时间是指在电池满电情况下， 以制定的放电条件(如倍率和温度等)放电至某电压的放电时间。 例如：对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒压充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.02C时停止充电即充满电后，搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间。这段时间越长，表明电池放电平台越高，即该电池性能越好。

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充放电倍率

充放电倍率是 指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值 ，1C在数值上等于电池额定容量，通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为10Ah，则10A为1C（1倍率），5A则为0.5C，100A为10C，以此类推。

锂离子电池的充放电倍率性能主要与锂离子电池的电极材料和电解质有关。 电极材料的类型、结构、尺寸和表面电阻会直接或间接影响电极的内阻 ，进而对锂离子电池的倍率性能产生影响。电解质的锂离子传导能力和电化学窗口会影响电池的嵌锂程度、循环性能和安全性能。

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自放电率

电池的自放电现象是指电池处于开路搁置时，其容量自发损耗的现象，也称为荷电保持能力。 自放电一般可分为两种：可逆自放电和不可逆自放电。损失容量能够可逆得到补偿的为可逆自放电，其原理跟电池正常放电反应相似。损失容量无法得到补偿的自放电为不可逆自放电，其主要原因是电池内部发生了不可逆反应，包括正极与电解液反应、负极与电解液反应、电解液自带杂质引起的反应，以及制成时所携带杂质造成的微短路引起的不可逆反应等。

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效率

充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程度的量度。 主要受电池工艺，配方及电池的工作环境温度影响，一般环境温度越高，则充电效率要低。

放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比 ，主要受放电倍率，环境温度，内阻等因素影响，一般情况下，放电倍率越高，则放电效率越低。温度越低，放电效率越低。

Part.3

循环寿命

随着锂离子电池充电、放电，电池容量降低到额定容量的 70％ 时，所获得的充放电次数称为循环寿命。锂离子电池循环寿命一般要求大于500次。

随着电动交通工具在性能上和节能环保上的要求不断提高，锂离子电池也迎来了它的高速增长期。几乎所有的电动交通工具的都用锂电池来作为电源供给， 如何延长电池的使用寿命，提高充电效率， 充分的发挥锂电池的供给性能成为了厂商需要亟待解决的一大难题。

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