鋰離子電池的工作原理
鋰離子電池由最早由日本索尼公司于1990年開發(fā)成功并商用，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)來工作。在充放電過程中，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。
鋰離子電池是把鋰離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負(fù)極(傳統(tǒng)鋰電池用鋰或鋰合金作負(fù)極)。鋰離子電池的工作原理正極材料常用LixCoO2，也用LixNiO2，和LixMnO4，電解液用LiPF6＋二乙烯碳酸酯(EC)＋二甲基碳酸酯(DMC)。
石油焦炭和石墨作負(fù)極材料無毒，且資源充足，鋰離子嵌入碳中，克服了鋰的高活性，解決了傳統(tǒng)鋰電池存在的安全問題，正極LixCoO2在充、放電性能和壽命上均能達(dá)到較高水平，使成本降低，總之鋰離子電池的綜合性能提高了。鋰離子電池占有很大的市場。
鋰離子電池系統(tǒng)可以說是一個(gè)濃度電池，因?yàn)殇囯x子會(huì)由一極經(jīng)由電解液跑到另一極，因此要設(shè)計(jì)一個(gè)成功的鋰離子電池并使之與鋰金屬電池的效益相當(dāng)必須符合以下幾項(xiàng)原則：
1.在陽極的鋰活性須接近1，以確定此電池的開路電位與原鋰金屬電池接近
2.兩極的等效重量須低，如此才有應(yīng)用的價(jià)值
3.鋰離子在兩極的擴(kuò)散系數(shù)須高，以使電池在充放電時(shí)能夠?qū)崟r(shí)快速反應(yīng)
4.兩極須容易制作且無毒性，確保價(jià)格低與環(huán)境保護(hù)。
鋰離子電池的工作原理
鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，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)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(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)(即我們使用電池的過程)，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。
下圖是英文圖注的鋰離子電池工作原理圖，如果你英文不好，卻能夠看懂，說明你對(duì)鋰離子電池的工作原理基本掌握了。
一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會(huì)產(chǎn)生泡沫，反而不滿。
以磷酸亞鐵鋰為例，其放電和充電時(shí)的電極反應(yīng)分別為：
正極反應(yīng)：
充電時(shí)鋰離子脫嵌：LiFePO4→Li1－xFePO4＋xLi＋＋ xe-
放電時(shí)鋰離子嵌入：Li1－xFePO4＋xLi＋＋ xe-→LiFePO4
負(fù)極反應(yīng)：
充電時(shí)鋰離子插入：xLi＋＋ x e-＋ 6C →LixC6
放電時(shí)鋰離子脫插：LixC6→ xLi＋＋ x e-＋ 6C
以鈷酸鋰作為正極材料的鋰離子電池，其充電和放電的電極反應(yīng)為：
充電時(shí)的反應(yīng)式:LiCoO2＋C→Li1－xCoO2＋LixC
放電時(shí)的反應(yīng)式為：Li1－xCoO2＋LixC→LiCoO2＋C
事實(shí)上，正極材料中的CoO2－和FePO4－在電池中作為類似“骨架”而使得Li＋得以在其中自由的移動(dòng)，負(fù)極材料的石墨碳能夠親和Li＋而使得Li的活性變得溫和而持續(xù)。
對(duì)電池來說，正常使用就是放電的過程。
鋰離子電池放電需要注意幾點(diǎn)：
第一，放電電流不能過大，過大的電流導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)熱，有可能會(huì)造成永久性的損害。在手機(jī)上，這個(gè)倒是沒有問題的，可以不考慮。
第二，絕對(duì)不能過放電！鋰離子電池最怕過放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導(dǎo)致電池報(bào)廢。好在鋰離子電池內(nèi)部裝了保護(hù)電路，電壓還沒低到損壞電池的程度，保護(hù)電路就會(huì)起作用，停止放電。電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。
鋰離子電池結(jié)構(gòu)
正極：活性物質(zhì)，導(dǎo)電劑、溶劑、粘合劑、基體。
電池放電時(shí)從外電路獲得電子的電極,此時(shí)電極發(fā)生還原反應(yīng)。通常是電位高的電極。鋰離子電池中的鈷酸鋰、錳酸鋰電極等。
負(fù)極：活性物質(zhì)（石墨、MCMB、CMS)，粘合劑、溶劑、基體。
電池放電時(shí)向外電路輸送電子的電極，此時(shí)電極發(fā)生氧化反應(yīng)。通常是電位低的電極，鋰離子電池中石墨電極。
隔膜
隔膜是放置于兩極之間，作為隔離電極的裝置，藉以避免兩極上的活性物質(zhì)直接接觸而造成電池內(nèi)部的短路。但隔膜仍需能讓帶電離子通過，以形成通路。
隔膜要求：
1.離子透過度大
2.機(jī)械性強(qiáng)度適當(dāng)
3.本身為絕緣體
4.不與電解液及電極發(fā)生反應(yīng)
材質(zhì)：單層PE（聚乙烯）或者三層復(fù)合PP（聚丙烯） +PE+PP
厚度：單層一般為0.016～0.020mm，三層一般為0.020～0.025mm
電解液
外殼五金件（鋼殼、鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片、絕緣膠帶）
鋰離子電池的制造工藝流程鋰離子電池生產(chǎn)用的主要設(shè)備
真空攪拌機(jī)
用途：將各種電池材料均勻的攪拌成漿狀。
電極涂布機(jī)
用途：攪拌后的漿料均勻涂膜在金屬箔片 上。對(duì)漿料的涂布厚度精確到3微米以下。
輥壓機(jī)
用途：涂布后的極片進(jìn)一步壓實(shí)，提高電池的能量密度。
極片分切設(shè)備
超聲焊接導(dǎo)電柄設(shè)備
卷繞機(jī)
用途：將制造好的極片卷繞成電池
手套箱
用途：保證在低濕度環(huán)境下將電解液與卷芯封裝在一起
注液機(jī)
用途：保證高精度的流水化將電解液真空注入電池包裝材料內(nèi)
化成測試設(shè)備
用途：將做好的電池充電活化，產(chǎn)生電壓，同時(shí)測試電池的容量。
鋰離子電池產(chǎn)品使用注意事項(xiàng)：
①防摔：摔落可以改變電池的內(nèi)部機(jī)械或化學(xué)結(jié)構(gòu)，這些變化可能導(dǎo)致任何故障安全電路在極端壓力條件下發(fā)生故障。
②過熱：雖然電池中存在保護(hù)措施以確保其散熱，或者在過熱時(shí)關(guān)閉，但首先要保持電池遠(yuǎn)離溫度限制。防止過熱的方法是，避免長時(shí)間高功率使用，不要暴曬電池或?qū)㈦姵刂糜跍囟容^高環(huán)境中。
③充電器：一定要使用電池原廠家提供的充電器，過高的充電電壓、過高的充電電流都會(huì)造成電池的損害。
④防水：電池掉入水中是很危險(xiǎn)的，一定要注意避免。
以上就是關(guān)于鋰離子電池的工作原理的詳細(xì)介紹，希望對(duì)鋰電朋友們有所幫助。如果有任何關(guān)于鋰離子電池或者鋰電池定制的問題，歡迎在諾信電子官網(wǎng)留言，我們會(huì)第一時(shí)間為您解答。
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