鋰離子電池基本工作原理和結(jié)構(gòu)你了解嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-03 11:16
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電池的基本原理：正極發(fā)生還原反應(yīng)，得電子;負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，失電子。電子經(jīng)過負(fù)載，由負(fù)極流向正極，形成方向從正極到負(fù)極的電流。
1個(gè) (+1)價(jià)鋰離子<------ (1-x) 個(gè) (+1/(1-x)) 價(jià)鋰離子 + x個(gè) (+1) 價(jià)鋰離子 + x個(gè)電子
令 x=0.5，得：
1個(gè) (+1) 價(jià)鋰離子<------0.5個(gè) (+2) 價(jià)鋰離子 + 0.5個(gè) (+1) 價(jià)鋰離子 + 0.5個(gè)電子
兩邊乘以2，得：
2個(gè) (+1) 價(jià)鋰離子<------1個(gè)(+2)價(jià)鋰離子 + 1個(gè) (+1) 價(jià)鋰離子 + 1個(gè)電子
再簡(jiǎn)化：
1個(gè) (+1) 價(jià)鋰離子<------1個(gè)(+2)價(jià)鋰離子 + 1個(gè)電子
這個(gè)公式其實(shí)是描述整體反應(yīng)，而不是描述單個(gè)個(gè)體反應(yīng)的。用簡(jiǎn)單的話來說就是：
正極的(+1/(1-x))價(jià)(其中，0
負(fù)極的鋰原子失去電子，被氧化為(+1)價(jià)鋰離子，電子從負(fù)極流入負(fù)載回路，鋰離子通過電解質(zhì)流向正極;
又回到電池基本原理了吧。正極的核心是 (+1/(1-x)) 價(jià)鋰離子，負(fù)極核心是鋰原子，兩者反應(yīng)生成 (+1)價(jià)鋰原子，氧化還原反應(yīng)中的電子流動(dòng)形成電流。
在現(xiàn)實(shí)中制作電池時(shí)，總需要物質(zhì)來承載正極的鋰離子和負(fù)極的鋰原子，就好像貨物總是需要貨架的。那么鋰離子的貨架就是 鈷酸根 離子，與鋰離子共同構(gòu)成正極;負(fù)極的鋰原子則由帶孔石墨等材料構(gòu)成，不至于反應(yīng)后，把負(fù)極反應(yīng)沒了。正極和負(fù)極之間是電解質(zhì)和隔膜，既用于鋰離子流動(dòng)，也用于隔離正負(fù)極，防止內(nèi)部短路。
鋰離子電池特性
用戶最關(guān)心的鋰離子電池的特性是電容量，比如常說的 2000mAh，指的是在鋰電池在正常工作情況下所能放出的電荷數(shù)。我們看一份鋰離子電池的規(guī)格說明書：
這塊電池比較重要的幾個(gè)參數(shù)：
容量 ：2500 mAh
充電截止電壓：4.2 V
放電截止電壓：2.5 V
最大充電電流：4000 mA
最大放電電流：20000 mA
總之都是圍繞電池容量和充放電來考慮的。電池容量取決于負(fù)極能放出多少電子以及正極能吸收多少電子。
為什么會(huì)有充電截止電壓呢，換句話來說，過壓充電后會(huì)有什么問題?在前面描述鋰離子電池結(jié)構(gòu)時(shí)提到，負(fù)極是由石墨和鋰原子組成的，其實(shí)鋰并不是以原子形態(tài)存在的，而是以鋰離子形態(tài)和石墨共存的。過壓充電后，鋰離子會(huì)析出為晶體狀鋰，無法參與充放電，導(dǎo)致電池容量減少。
為什么會(huì)有放電截至電壓呢，換句話說，放電過度后會(huì)有什么問題?過度放電后，負(fù)極中的鋰離子大量流向正極，導(dǎo)致石墨空虛，部分區(qū)域發(fā)生坍塌，無法再存放鋰離子，也會(huì)導(dǎo)致電池容量減少。
具體到一個(gè)鋰電池，它的容量在不同放電電流和溫度下也是不同的，且隨充放電周期數(shù)增多而減少。下面是某型號(hào)鋰離子電池溫度和電池容量的關(guān)系：
下面是某型號(hào)鋰離子電池放電電流和電池容量的關(guān)系：
鋰離子電池 充電
鋰離子電池的充電管理，主要是保證充電電流不能過大，不能過充，溫度合適，還要盡可能地提高充電速度。下面是一份鋰離子電池充電過程中電壓、電流和容量的變化關(guān)系圖：
以 0.7C 電流恒流充電，至電壓升至充電截止電壓 4.2V
以充電截止電壓 4.2V 恒壓充電，至電流降低到 55mA
這里有幾個(gè)重要參數(shù)：
恒流充電電流
恒壓充電電壓
充電截止電流(充電完成的標(biāo)志)
恒流充電電壓是固定的，絕對(duì)不可以隨便修改。恒流充電電流只要不超過最大充電電流即可，其大小會(huì)影響充電速度。充電截止電流可以自由調(diào)節(jié)，其大小會(huì)影響電池充入的電量和充電時(shí)間。
鋰離子電池放電
鋰離子電池放電時(shí)，主要是注意放電電流不要過大和不過度放電就行了。
鋰離子電池電量檢測(cè)
鋰離子電池電量檢測(cè)的核心問題是獲取剩余電量和總?cè)萘?，以提示用戶剩余充電時(shí)間和剩余放電時(shí)間，為用戶合理安排時(shí)間提供依據(jù)。
現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)備為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，用電池電壓來判斷剩余電量，在要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合可以接受，但是是一種不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男袨?。電池在同一剩余電量狀態(tài)下，當(dāng)處于不同溫度、不同放電電流時(shí)，電壓時(shí)不同的。較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ㄊ墙y(tǒng)計(jì)電量。
一塊新電池安裝在設(shè)備上后，必須經(jīng)歷一次完整的放電或完整的充電。這樣做是考慮到了兩點(diǎn)：獲取電池總?cè)萘亢瞳@取當(dāng)前剩余電量。
