鋰離子電池是怎么工作的？工作原理圖解

我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)和筆記本電池其實(shí)是鋰離子電池，鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池，但大家俗稱為鋰電池。真正的鋰電池由于危險(xiǎn)性大，很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。今天用圖片的方式詳解鋰電池工作原理和結(jié)構(gòu)，讓大家全方位的了解鋰電池。

一、鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖

了解鋰電池工作原理之前，先大概了解下鋰電池的組成部分，如下示意圖：

鋰離子電池電池組成部分如下：

(1)正極——活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料，電動(dòng)自行車則普遍用鎳鈷錳酸鋰(俗稱三元)或者三元+少量錳酸鋰，純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導(dǎo)電極流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

(2)隔膜——種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。

(3)負(fù)極——活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

(4)有機(jī)電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液。

(5)電池外殼——分為鋼殼(方型很少使用)、鋁殼、鍍鎳鐵殼(圓柱電池使用)、鋁塑膜(軟包裝)等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負(fù)極引出端。

二、鋰電池工作原理圖解

下面從鋰電池充電過程、放電過程和電池保護(hù)板三大部分給大家介紹其工作原理：

1、鋰電池充電過程

電池的正極由鋰離子生成，生成的鋰離子從正極“跳進(jìn)”電解液里，通過電解液“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，與早就通過外部電路跑到負(fù)極的電子結(jié)合在一起。

●正極上發(fā)生的反應(yīng)為：LiCoO2==充電==Li1-xCoO2+Xli++Xe(電子)

●負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：6C+XLi++Xe=====LixC6

在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進(jìn)入電解液，在充電器附加的外電場作用下向負(fù)極移動(dòng)，依次進(jìn)入石墨或焦炭C組成的負(fù)極，在負(fù)極形成LiC化合物。

2、鋰電池放電過程

放電時(shí)電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路徑不同，電子從負(fù)極通過外部電路跑到正極;鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

3、電池保護(hù)板

顧名思義，電池保護(hù)板主要是針對(duì)可充電電池(一般指鋰電池)起保護(hù)作用的集成電路板。鋰電池(可充型)之所以需要保護(hù)，是由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電，因此鋰電池總會(huì)有保護(hù)板和一片電流保險(xiǎn)器出現(xiàn)。

下圖為電池板保護(hù)電路。PTC：正溫度系數(shù)熱敏電阻;NTC：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，在環(huán)境溫度升高時(shí)，其阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備能夠及時(shí)反應(yīng)，控制內(nèi)部中斷而停止充放電;U1為電路保護(hù)芯片，U2為兩個(gè)反接的MOSFET開關(guān)。

正常狀態(tài)下電池板U1的CO和DO都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET都處于打開狀態(tài)，電池可以自由充放電。

截止2022年9月份，我國新能源汽車滲透率已經(jīng)達(dá)到了30%;越來越多的普通家庭開始駕駛上綠牌新能源汽車;其中絕大多數(shù)汽車使用的為鋰離子動(dòng)力電池。鋰離子電池與其他大多數(shù)原電池一樣，分為正極和負(fù)極及中間隔膜層，在充放電過程中，通過帶正電荷的金屬離子和電子的移動(dòng)，達(dá)到對(duì)外充電和放電的過程，也稱為搖椅式電池。

工作原理

鋰電池主要分為正極、負(fù)極和中間隔膜;

目前主流正極材料為磷酸鐵鋰、三元鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰等材料，以上均為含鋰離子的化合物，這也是為什么稱為鋰離子電池的原因

負(fù)極材料分為碳材料和非碳材料;目前我國主要還是使用石墨作為負(fù)極材料使用。

在充放電時(shí)，帶正電的鋰離子在正負(fù)極定向移動(dòng)，同時(shí)在外電路中帶負(fù)電的電子也朝著同一方向移動(dòng)，即形成了我們所能看到的充放電過程。如下圖所示。

充電過程

在充電時(shí)，外電路電源給電池正極充電，此時(shí)正極上的電子e 通過外部電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。

正極上發(fā)生的反應(yīng)為：

LiMO2→Li(1-x)MO2+ xLi++xe-(電子)

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：

6C+xLi++xe-(電子)→ LixC6

具體如下動(dòng)圖所示

在未充電情況下，鋰離子是嵌套在正極材料的層間結(jié)構(gòu)當(dāng)中

在充電過程中，鋰離子會(huì)從正極的層間結(jié)構(gòu)中脫嵌出來，

鋰離子從正極中脫嵌出來后，通過SEI膜和隔膜，進(jìn)入到負(fù)極石墨中進(jìn)行鑲嵌

鋰離子在充電的過程中一直重復(fù)這個(gè)過程，直至充電完成

放電過程

放電過程與充電過程相反，如果外電路電勢比電池電勢低，電池就會(huì)對(duì)外進(jìn)行放電，其中電子還是通過外電路回到正極材料中，鑲嵌在石墨中的鋰離子則會(huì)從石墨中跳脫出來，穿過隔膜回到正極材料中;具體反應(yīng)如下：

正極上發(fā)生的反應(yīng)為：

Li(1-x)MO2+ xLi++xe-(電子)→LiMO2

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：

LixC6 → 6C+xLi++xe-

放電過程，負(fù)極的電子會(huì)通過外電路到達(dá)正極，

同時(shí)鑲嵌在負(fù)極中的鋰離子也會(huì)脫嵌出來，通過隔膜回到正極材料當(dāng)中。

從大類上分，電動(dòng)汽車的電池有兩大類，蓄電池和燃料電池。蓄電池適用于純電動(dòng)汽車，包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鈉硫電池、二次鋰電池、空氣電池。其中，鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池出現(xiàn)的時(shí)間比較早，也是已經(jīng)被普遍淘汰的電池種類，而如今主流的純電動(dòng)車基本上都是采用的鋰電池，主要包括鈷酸鋰電池，如特斯拉產(chǎn)品;錳酸鋰電池，如豐田普銳斯、日產(chǎn)聆風(fēng);磷酸鐵鋰電池，如比亞迪產(chǎn)品、之諾1E等。

鉛酸電池是最為常用的一種新能源汽車電池。鉛酸電池的極板是用鉛合金制成的格柵，電解液為稀硫酸，兩極板均覆蓋有硫酸鉛。但充電后，正極處極板上硫酸鉛轉(zhuǎn)變成二氧化鉛，負(fù)極處硫酸鉛轉(zhuǎn)變成金屬鉛。放電時(shí)，則發(fā)生反方向的化學(xué)反應(yīng)。鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)是放電時(shí)電動(dòng)勢較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是比能量小，對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)。

鎳氫電池在混合新能源車上有著廣泛的應(yīng)用，其有著較大的能量密度比，可以有效延長車輛的行駛時(shí)間;而且，鎳氫電池放電特性平穩(wěn)妥、放電曲線平滑，發(fā)熱量小，但體積偏大，有污染。

鋰離子電池相比鉛酸電池、鎳氫電池等有著工作電壓高、比能量大、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)勢，因此，越來越多的汽車廠家選擇采用鋰離子電池作為純電動(dòng)車的動(dòng)力電池。

鋰離子電池中最常用的有三種，分別是鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池。鈷酸鋰電池效率高，放電電流大，充電速度高，重量輕;但缺點(diǎn)就是穩(wěn)定性相對(duì)較差一些，這也是為何這種電池技術(shù)很難制造大容量的電池單元的原因。而錳酸鋰電池成本略低，而且不像鈷酸鋰那樣激進(jìn)，低溫性能較好，更適合寒冷地區(qū)使用，但是高溫穩(wěn)定性不夠出色，容易鼓脹，而用循環(huán)壽命衰減較快。

磷酸鐵鋰電池被稱為最安全的車用電池技術(shù)，這是因?yàn)橄啾容^于鈷酸鋰電池和錳酸鋰電池，磷酸鐵鋰電池的穩(wěn)定性，特別是高溫狀態(tài)下的穩(wěn)定性要安定的多，遇到意外情況時(shí)發(fā)生火災(zāi)等意外狀況的幾率也更小。但是磷酸鐵鋰電池的效率不如前述兩種電池技術(shù)，存儲(chǔ)同樣能量所需要的重量大約是鈷酸鋰電池的兩倍，也就難怪為什么這項(xiàng)新型電池技術(shù)難以成為高性能電動(dòng)跑車的選擇了。

根據(jù)現(xiàn)在市場上所用的電動(dòng)車電池類型大致可以分為：鉛酸電池，鋰離子電池，鎳氫電池，不過現(xiàn)在大量投入電動(dòng)車領(lǐng)域的還是密閉性鉛酸膠體電池，鋰電池也由于它的體積小、較長的壽命以及靈活的充電方法也被廣大用戶看好，只是高昂的售價(jià)讓很多客戶敬而遠(yuǎn)之。

鉛酸蓄電池的價(jià)格最低，安全性好，也最常用，中國是全世界鉛酸蓄電池最大的生產(chǎn)國。其含污染的成分比較少，可回收性好。缺點(diǎn)是比容小。也就是說，在同樣的容量下，電池重量和體積都大。膠體電池屬于鉛酸蓄電池的一種發(fā)展分類，最簡單的做法，是在硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電液變?yōu)槟z態(tài)。電液呈膠態(tài)的電池通常稱之為膠體電池。廣義而言，膠體電池與常規(guī)鉛酸電池的區(qū)別不僅僅在于電液改為膠凝狀。例如非凝固態(tài)的水性膠體，從電化學(xué)分類結(jié)構(gòu)和特性看同屬膠體電池。

鋰離子電池的比容要好于鎳氫電池，對(duì)于同樣容量的鉛酸蓄電池來說，鋰離子電池的重量相當(dāng)于一臺(tái)筆記本電腦，這樣老弱婦孺就都可以使用了。但是，存在爆炸和燃燒的可能性，這是與鋰離子電池需要解決的問題。