一、锂电池的原理

1、简述锂电池以及工(gong)作原理

锂离子电(dian)(dian)池(chi)自1990年(nian)问世以(yi)来(lai)，因其卓越(yue)的(de)性能得到了迅猛的(de)发展，并(bing)广泛地应用于社会(hui)。锂离子电(dian)(dian)池(chi)以(yi)其它(ta)电(dian)(dian) 池(chi)所不可比拟的(de)优势迅速占领了许多领域，象(xiang)大(da)家熟(shu)知的(de)移动电(dian)(dian)话、笔(bi)记本电(dian)(dian)脑、小型摄像机等等。

目(mu)前锂(li)(li)电(dian)池(chi)(chi)公认的(de)(de)(de)(de)(de)基本(ben)原理是(shi)所谓的(de)(de)(de)(de)(de)“摇椅理论”。锂(li)(li)电(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)冲放(fang)(fang)电(dian)不(bu)是(shi)通过传统的(de)(de)(de)(de)(de)方式实现电(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)转移，而是(shi)通过锂(li)(li)离子(zi)(zi)(zi)在层壮物质(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)晶体中的(de)(de)(de)(de)(de)出(chu)入，发生能量变化。在正(zheng)常冲放(fang)(fang)电(dian)情况下，锂(li)(li)离子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)出(chu)入一(yi)(yi)(yi)般只引(yin)起层间(jian)距的(de)(de)(de)(de)(de)变化，而不(bu)会引(yin)起晶体结构的(de)(de)(de)(de)(de)破坏，因此从冲放(fang)(fang)电(dian)反(fan)映来(lai)(lai)讲，锂(li)(li)离子(zi)(zi)(zi)电(dian)池(chi)(chi)是(shi)一(yi)(yi)(yi)种理想的(de)(de)(de)(de)(de)可逆(ni)电(dian)池(chi)(chi)。在冲放(fang)(fang)电(dian)时(shi)锂(li)(li)离子(zi)(zi)(zi)在电(dian)池(chi)(chi)正(zheng)负(fu)极往(wang)返出(chu)入，正(zheng)像摇椅一(yi)(yi)(yi)样在正(zheng)负(fu)极间(jian)摇来(lai)(lai)摇去，故有人将锂(li)(li)离子(zi)(zi)(zi)电(dian)池(chi)(chi)形象称为摇椅电(dian)池(chi)(chi)。

我们经常说的(de)锂离子(zi)电(dian)池(chi)的(de)优越(yue)性是针对于(yu)传统的(de)镍(nie)镉电(dian)池(chi)（Ni/Cd）和镍(nie)氢电(dian)池(chi)（Ni/MH）来讲的(de)。 具有(you)工作电(dian)压高比能(neng)量大循环寿命长自放电(dian)率低无记忆效应(ying)等(deng)优点。

1.锂离子电(dian)池

锂(li)离(li)子(zi)电池(chi)(chi)(chi)包含两(liang)个(ge)(ge)被电解质(zhi)阻隔的电极(ji)。电解质(zhi)是一种(zhong)离(li)子(zi)导体和电子(zi)绝(jue)缘体。在放电过程中(zhong)，电池(chi)(chi)(chi)将(jiang)化学能转化为电能。电池(chi)(chi)(chi)包中(zhong)可以包含几个(ge)(ge)或(huo)者平行串(chuan)联的单个(ge)(ge)电池(chi)(chi)(chi)。

锂离(li)子(zi)电(dian)(dian)池(chi)是(shi)一(yi)种(zhong)被人们熟知的rocking chair或者(zhe)swing电(dian)(dian)池(chi)，因为其(qi)在充放电(dian)(dian)过程中电(dian)(dian)荷媒介会在电(dian)(dian)解质中穿(chuan)梭在电(dian)(dian)极材料中嵌入或者(zhe)迁出(chu)。

2.电池电压

在(zai)(zai)某种意义上，电池可以(yi)看(kan)作“电荷”泵。正(zheng)负极端(duan)的(de)压(ya)力差被称作为(wei)电压(ya)或者(zhe)电动势。通(tong)过(guo)外电路(lu)进行电子转移的(de)自由能(neng)以(yi)及(ji)在(zai)(zai)两个插层电极之(zhi)间的(de)锂离子在(zai)(zai)两端(duan)之(zhi)间的(de)化学电压(ya)是相关(guan)的(de)。电极的(de)电势越(yue)高，材料中(zhong)(zhong)的(de)Li就越(yue)难迁出(chu)。在(zai)(zai)放电过(guo)程中(zhong)(zhong)，Li能(neng)够从阳极中(zhong)(zhong)能(neng)量较(jiao)(jiao)高的(de)状态转移到(dao)阴极能(neng)量较(jiao)(jiao)低的(de)状态。

电(dian)池依靠其电(dian)化(hua)学活性物(wu)质来(lai)储存化(hua)学能(neng)。这些能(neng)量可以按(an)照需求(qiu)通过氧(yang)化(hua)还(hai)原反(fan)应来(lai)转化(hua)为电(dian)能(neng)。

3.电池的组成

锂离子电池一般包含(han)三个主要(yao)成分：阳极，阴极，电解质。

阳极：在放(fang)电(dian)过(guo)程中电(dian)子(zi)通过(guo)外电(dian)路转移走(zou)，电(dian)极材料被(bei)氧化(hua)。大部分商用(yong)的(de)电(dian)池使用(yong)基于(yu)炭/石墨(mo)的(de)电(dian)极材料；不过(guo)金属或者合金也可以作为阳极材料。

阴极：在(zai)放电(dian)过(guo)程中，通(tong)过(guo)外(wai)电(dian)路接收电(dian)子；通(tong)常使用(yong)过(guo)渡金属(shu)氧化(hua)(hua)物或者磷化(hua)(hua)物来作为阴极材料(liao)。

电解(jie)质：电解(jie)质是(shi)一个离(li)子导体，电子的(de)(de)(de)不良导体。电解(jie)质阻隔电池的(de)(de)(de)阴阳极，同时能提供电子转移的(de)(de)(de)媒介。电解(jie)质一般(ban)使用一些非水的(de)(de)(de)有机溶(rong)剂，里(li)面溶(rong)解(jie)一些含(han)Li+的(de)(de)(de)盐(yan)。比如LiPF6溶(rong)解(jie)在碳酸丙烯酯中。

备注：这里省略对隔(ge)膜和外壳的介绍。

4.锂离子电池的充放电过程

A. 充(chong)电(dian)过(guo)程

电子(zi)一般(ban)在放(fang)电状态(tai)进行组装(zhuang)。在充(chong)电过程中，阴极材料（如：LiCoO2）被(bei)氧(yang)化(hua)，锂离子(zi)从层状的插层材料中脱(tuo)出，穿(chuan)过电解质然后插层到石(shi)墨层之中。

B. 放电过程

在放电(dian)过程中(zhong)(zhong)，负极(ji)发(fa)生(sheng)氧化反应，锂离(li)子从(cong)(cong)阳极(ji)脱出然(ran)后穿(chuan)过电(dian)解(jie)质重(zhong)新(xin)插层到阴极(ji)之中(zhong)(zhong)。对(dui)应的(de)，相应数量的(de)电(dian)子会(hui)穿(chuan)过外(wai)电(dian)路(lu)从(cong)(cong)而(er)平衡电(dian)荷(he)。与此(ci)同时(shi)，正极(ji)材料从(cong)(cong)外(wai)电(dian)路(lu)接(jie)收电(dian)子和(he)(he)来(lai)自溶液中(zhong)(zhong)的(de)Li+离(li)子从(cong)(cong)而(er)发(fa)生(sheng)还原(yuan)反应。电(dian)极(ji)和(he)(he)电(dian)解(jie)质界面发(fa)生(sheng)电(dian)子电(dian)流(liu)和(he)(he)离(li)子电(dian)流(liu)的(de)交换。

基于(yu)插层机(ji)理的电池——可逆的插入一个外来离(li)子到(dao)固体结构中，而(er)不会破坏(huai)宿主材料(liao)的结构

2、锂电池日常使用过(guo)程中的(de)常识(shi)

（1）、误区：“电(dian)池激活(huo)，前三(san)次(ci)充电(dian)12小时以上”

对于(yu)锂电(dian)(dian)池(chi)的(de)“激(ji)活”问题，众(zhong)多的(de)说法(fa)是(shi)：充电(dian)(dian)时(shi)(shi)间一定要(yao)超过(guo)12小时(shi)(shi)，反复做三(san)次，以(yi)(yi)便激(ji)活电(dian)(dian)池(chi)。这(zhei)种“前三(san)次充电(dian)(dian)要(yao)充 12小时(shi)(shi)以(yi)(yi)上”的(de)说法(fa)，明显是(shi)从镍电(dian)(dian)池(chi)（如镍镉(ge)和镍氢）延(yan)续下来的(de)说法(fa)。所以(yi)(yi)这(zhei)种说法(fa)，可(ke)以(yi)(yi)说一开始就是(shi)误传。经过(guo)抽样(yang)调查，可(ke)以(yi)(yi)看出有相当一部分人(ren)混淆了两(liang)种电(dian)(dian)池(chi)的(de)充电(dian)(dian)方(fang)法(fa)。

锂电(dian)池(chi)(chi)和(he)镍电(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)充放电(dian)特(te)性有非(fei)常(chang)大的(de)(de)区别，所查阅过的(de)(de)所有严肃的(de)(de)正式技术资(zi)料都(dou)强(qiang)调(diao)过充和(he)过放电(dian)会对锂电(dian)池(chi)(chi)、特(te)别是液体(ti)锂离子(zi)电(dian)池(chi)(chi)造成(cheng)巨(ju)大的(de)(de)伤害。因而充电(dian)最好按照(zhao)标(biao)准(zhun)(zhun)时(shi)间和(he)标(biao)准(zhun)(zhun)方(fang)(fang)法充电(dian)，特(te)别是不要进行超(chao)过12个小(xiao)时(shi)的(de)(de)超(chao)长充电(dian)。通常(chang)，手机(ji)(ji)说明(ming)书上介绍(shao)的(de)(de)充电(dian)方(fang)(fang)法，就(jiu)是适合该手机(ji)(ji)的(de)(de)标(biao)准(zhun)(zhun)充电(dian)方(fang)(fang)法。

（2）、 不益长(zhang)时(shi)间充电(dian)、电(dian)池完全(quan)用完再(zai)充电(dian)

锂电池的(de)手机或(huo)充(chong)电器(qi)(qi)在(zai)电池充(chong)满(man)后(hou)都会自动停充(chong)，并(bing)不存在(zai)镍(nie)电充(chong)电器(qi)(qi)所谓(wei)的(de)持续10几小(xiao)时的(de)“涓流”充(chong)电。如(ru)果锂电池在(zai)充(chong)满(man)后(hou)，放在(zai)充(chong)电器(qi)(qi)上也(ye)是(shi)也(ye)不再充(chong)电。

超常(chang)时间充电和完(wan)全用空(kong)电量会造(zao)成(cheng)过(guo)度(du)充电和过(guo)度(du)放电，将(jiang)对锂离子(zi)电池的正负(fu)极造(zao)成(cheng)永(yong)久的损坏，从分子(zi)层面看，过(guo)度(du)放电将(jiang)导致(zhi)负(fu)极碳过(guo)度(du)释(shi)(shi)出(chu)锂离子(zi)而使得(de)其片层结(jie)构出(chu)现塌陷，过(guo)度(du)充电将(jiang)把太多的锂离子(zi)硬塞进负(fu)极碳结(jie)构里去，而使得(de)其中一(yi)些锂离子(zi)再也无(wu)法释(shi)(shi)放出(chu)来。

（3）、电池寿命

关(guan)于锂离子电(dian)池充放(fang)电(dian)循(xun)环的(de)实验表，关(guan)于循(xun)环寿命(ming)的(de)数(shu)据列(lie)出如下(xia)(DOD是放(fang)电(dian)深度的(de)英文缩写)：

循环寿命 (10％DOD)：> 1000次

循(xun)环寿命 (100％DOD)：> 200次

从上(shang)面(mian)数据可见，可充(chong)(chong)电(dian)(dian)(dian)次数和放电(dian)(dian)(dian)深度有(you)关，10％DOD时的(de)(de)(de)循环(huan)寿命要比(bi)100％DOD的(de)(de)(de)要长很多。当(dang)然 如果折合到实(shi)际(ji)充(chong)(chong)电(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)相对总容(rong)量10％*1000=100，100％*200=200，后(hou)者的(de)(de)(de)完全充(chong)(chong)放电(dian)(dian)(dian)还是(shi)要比(bi)较好(hao)一(yi) 些。但是(shi)锂(li)电(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)寿命主要体现在(zai)充(chong)(chong)放电(dian)(dian)(dian)周期(qi)上(shang)，这个周期(qi)是(shi)一(yi)个绝对概念，上(shang)次使(shi)用了30％电(dian)(dian)(dian)力，充(chong)(chong)满电(dian)(dian)(dian)，下次又(you)使(shi)用了70％的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)力，又(you)充(chong)(chong)满电(dian)(dian)(dian)，这个刚好(hao)是(shi) 一(yi)个充(chong)(chong)电(dian)(dian)(dian)周期(qi)。所以还是(shi)遵循锂(li)电(dian)(dian)(dian)池发明者的(de)(de)(de)口号“即(ji)用即(ji)充(chong)(chong)，即(ji)充(chong)(chong)即(ji)用”的(de)(de)(de)方法使(shi)用锂(li)电(dian)(dian)(dian)池。

（4）、定期深度充放电进行

锂离子电池一(yi)般(ban)都带有管理芯(xin)片和充电控(kong)制芯(xin)片。其中(zhong)管理芯(xin)片中(zhong)有一(yi)系列的(de)(de)寄存(cun)器(qi)，存(cun)有容量、 温(wen)度(du)、ID 、充电状态、放电次数(shu)等数(shu)值(zhi)。这些(xie)数(shu)值(zhi)在(zai)使用中(zhong)会逐(zhu)渐变化。使用说明中(zhong)的(de)(de)“使用一(yi)个月左右(you)应(ying)该(gai)全充放一(yi)次”的(de)(de)做法主(zhu)要的(de)(de)作用应(ying)该(gai)就是(shi)修正(zheng)这些(xie)寄存(cun)器(qi)里(li)不当 的(de)(de)值(zhi)。

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