锂离子电池的工作原理

锂离子电池的工作原理

锂离子电池的结构如图

2.1

和图

2.2 

所示，一般由正极、负极和高分子隔膜

构成。

锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，

目前应用

性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化

合物，如

Li

x

CoO

2

，

Li

x

NiO

2

以及尖晶石结构的

LiMn

2

O

4

等，这些正极材料的插

锂电位都可以达到

4V

以上。负极材料一般用锂碳层间化合物

Li

x

C

6

，其电解质

一般采用溶解有锂盐

LiPF

6

、

LiAsF

6

的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳

负极

(

焦炭、石墨

)

、正极氧化钴锂

(Li

x

CoO

2

）和有机电解液三部分组成。

锂离子电池的电化学表达式：

正极反应：

负极反应：

电池反应：

式中：

M=Co

、

Ni

、

Fe

、

W

等。

图

2.1 

锂离子电池结构示意图

图

2.2 

圆柱形锂离子电池结构图

锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，

正负电极由两种不同的锂离子嵌

入化合物构。充电时，

Li

+

从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂

态，正极处于贫锂态；放电时则相反，

Li

+

从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，

正极处于富锂态，

负极处于贫锂态。

锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子

嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，

Li

+

分别在正负

极上发生

“

嵌入

-

脱嵌

”

反应，

Li

+

便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地

把锂离子电池称为

“

摇椅电池

”

或

“

摇摆电池

”

。

锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，

它基本解决了

困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，

即安全性差和充放电寿命短的问题。

锂离子

电池与锂电池在原理上的相同之处是：

在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌

入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，

采用一种有机溶剂—无机盐体系作为

电解质。

不同之处是：

在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯

锂作负极。

因此，

这种电池的工作原理更加简单，

在电池工作过程中，

仅仅是锂

离子从一个电极

(

脱嵌

)

后进入另一个电极

(

嵌入

)

的过程。具体来说，当电池充电

时锂离子是从正极中脱嵌，

在碳负极中嵌入，

放电时反之。

在充放电过程中没有

晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。

锂离子电池的主要性能

锂离子电池的额定电压为

3.6V

（少数的是

3.7V

）

。

充满电时的终止充电电压

与电池阳极材料有关：石墨的

4.2V

；焦炭的

4.1V

。充电时要求终止充电电压的

精度在±

1

％之内。

锂离子电池的终止放电电压为

2.4

～

2.7V

（电池厂家给出工作

电压范围或终止放电电压的参数略有不同）

。高于终止充电电压及低于终止放电

时会对电池有损害。

其使用有一定要求：充电温度：

0

℃～

45

℃；保存温度：

-20

℃～

+60

℃。锂

离子电池不适合大电流充放电。

一般充电电流不大于

1C

，

放电电流不大于

2C

（

C

是电池的容量，如

C=950mAh

，

1C

的充电率即充电电流为

950mA

）

。充电、放

电在

20

℃左右效果较好，在负温下不能充电，并且放电效果差

[4]

，

（在

-20

℃放电

效果最差，不仅放电电压低，放电时间比

20

℃放电时的一半还少）

。

锂离子电池的充放电特性

锂离子电池的标称电压为

3.6V

，充满电压为

4.2V

，对过充电和过放电都比

较敏感。

为了最大限度减少锂离子电池易受到的过充电、

深放电以及短路的损害，

单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。其充放电特性如图

2-3 

锂离子电池的充电特性

锂电池在充电中具有如下的特性

: 

1.

在充电前半段，电压是逐渐上升的

; 

2.

在电压达到

4.2V

后，内阻变化，电压维持不变

; 

3.

整个过程中，电量不断增加

; 

4.

在接近充满时，充电电流会达到很小的值。

经过多年的研究，已经找到了较好的充电控制方法

: 

1.

涓流充电达到放电终止电压

2. 7V  

2.

使用恒流进行充电，使电压基本达到

4.2V

。安全电流为小于

0.8C; 

3.

恒流阶段基本能达到电量的

80%