鋰離子電池工作原理與鋰電池充放電原理分析
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-02-03 09:57
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鋰離子電池是前幾年出現(xiàn)的金屬鋰蓄電池的替代產(chǎn)品，電池的主要構(gòu)成為正負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜以及外殼。目前鋰電池公認(rèn)的基本原理是所謂的“搖椅理論”。鋰電池的沖放電不是通過(guò)傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過(guò)鋰離子在層壯物質(zhì)的晶體中的出入，發(fā)生能量變化。
鋰離子電池工作原理
鋰離子電池的充放電過(guò)程就是Li+在正負(fù)極材料的嵌入和脫嵌并伴隨著能量的吸收和釋放的過(guò)程。給鋰離子電池充電：Li+從正極材料中脫嵌，經(jīng)電解液到達(dá)負(fù)極，吸收電子后嵌入負(fù)極材料中形成能量較高嵌入化合物。
鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。
鋰電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。
當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，鋰電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。
鋰電池的結(jié)構(gòu)組成
鋰電池是前幾年出現(xiàn)的金屬鋰蓄電池的替代產(chǎn)品，電池的主要構(gòu)成為正負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜以及外殼。
正極-采用能吸藏鋰離子的碳極，放電時(shí)，鋰變成鋰離子，脫離電池陽(yáng)極，到達(dá)鋰離子電池陰極。
負(fù)極-材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物。
電解質(zhì)-采用LiPF6的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂和低粘度二乙基碳酸脂等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。
隔膜-采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低，而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到了熱保險(xiǎn)作用。
鋰電池充放電原理
鋰電池的工作原理就是指其充放電原理。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
不難看出，在鋰電池的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)健將，在搖椅的兩端來(lái)回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個(gè)可愛的名字搖椅式電池。
鋰電池的充放電要求
1.鋰電池的充電
單節(jié)鋰電池的最高充電終止電壓為4.2V，不能過(guò)充，否則會(huì)因正極的鋰離子丟失太多而使電池報(bào)廢。對(duì)鋰電池充電時(shí)，應(yīng)采用專用的恒流、恒壓充電器，先恒流充電至鋰電池兩端電壓為4.2V后，轉(zhuǎn)入恒壓充電模式；當(dāng)恒壓充電電流降至100mA時(shí)，應(yīng)停止充電。
2.鋰電池的放電
由于鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命會(huì)縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是說(shuō)鋰電池不能過(guò)放電。
