锂电池工作原理解析

长城电工

锂电池作为可充电池，可以重复多次使用。它的应用非常广泛，如我们日常生活中的手机内部电池、充电宝、电动车电池等。
那么，锂电池地如何充放电的呢？在回答这个问题之前，我们有必要先了解锂电池的结构以及锂的一些特性。
锂电池由三部分组成，如下图1-1所示，分别涂覆石墨的铜箔、涂覆锂化合物的铝箔和含有锂的有机盐的电解质。而锂电池的充放电其实就是锂离子与自由电子的往复移动。
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▲ 图 1-1
不同金属有不同的电化学势，所谓电化学势，简单来说，就是金属失去电子的趋势，如下图1-2所示给出的一些常见金属的电化学势，其中最容易失去电子的锂被用于锂离子电池。
显然，锂失去电子的倾向最高，而氟失去电子的倾向最小。这是因为锂的最外层只有一个电子，非常容易失去；而氟最外层有8个电子，非常稳定（原子的最外层最多只能有8个电子，1个时最活跃，8个时最稳定）。

$ R0 e) ^; Y& e+ {! r# T- K2 X▲ 图 1-2
. A) c2 ~3 [' G纯锂是一种高活性金属，放到水里直接沸腾，但锂的金属氧化物非常稳定，若我们以某种方式从这种金属氧化物中分离出一个锂原子，这个锂原子极不稳定，会瞬间形成一个锂离子和一个电子，如下图1-3所示。
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( V' Q6 V: x7 @3 ]! ~$ }7 h3 l2 y▲ 图 1-3
5 m3 D& a' l' l5 |8 A然而，正如上文所说，锂作为金属氧化物的一部分，处于金属氧化物中比处于这种锂原子游离的状态要稳定得多。所以，如果能为锂和金属氧化物之间的电子和锂离子流动提供两条不同的路径，锂原子会自动跑到金属氧化物部分，这个电子的路径就是外电路。
1 m  N; c6 o" v6 t2 q* z& k换言之，就像人一样，相对于漂泊不定的日子，我们都喜欢稳定的生活，锂也是同理，若能够依附其金属氧化物达到一种稳定的状态，它必是不喜欢以锂离子和电子的状态存在的。所以我们用电场力把锂从金属氧化物中提出来，然后又给它的离子和电子提供不同路径（撤去外电场），如下图1-4所示，它就会顺势回到氧化物中。

▲ 图 1-4
实际的锂离子电池含有电解质和石墨，如下图1-5所示。其中石墨具有层状结构，因此分离的锂离子可以很容易地储存在那里。石墨和金属氧化物之间的电解质起到保护作用，它只允许锂离子通过，不允许电子通过。
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9 J% d4 ]3 m( ]$ S" }8 x▲ 图 1-5
当外加电源（电场）时，由于异性相吸，电源的正极显然会从金属氧化物的锂原子中吸引电子，并推动这些电子沿外部电路流通，并到达石墨层。注意，这些电子不能流过电解质。
同时，带正电的锂离子也会被吸引到负极，并流过电解质，到达石墨层。此时石墨层就含有大量的锂离子和电子。其中这些离子和电子就是锂原子，但因为锂原子不稳定，所以就以锂离子和电子的形式存在。
" C& \7 o5 f5 B  ]. i: P( C% l0 w, f一旦金属氧化物中的所有锂原子到达石墨层，电池就充满电。
" A6 `# f' A* I3 ?- A. R3 M6 k$ m此时，锂原子的不稳定状态就像山顶的小球一样，一旦移除电源，并连接负载，锂原子就会作为金属氧化物的一部分恢复到稳定状态。由于这种想要趋于稳定的趋势，电子锂通过负载回到氧化物，而锂离子穿过电解质回到氧化物，就像小球从山顶滑下来一样，最后锂离子和电子结合形成锂原子固定在其金属氧化物中。

! }  s0 ~1 Q3 ]  u  X/ @$ g▲ 图1-7
整个过程如图1-7所示，注意，石墨在锂离子电池的化学反应中没有发挥作用，它只是锂离子的存储介质。
, k* u6 Y0 P, K5 `+ V7 W如果由于某些异常情况导致电池内部温度升高，电解质干涸，此时锂离子和电子全部沿同一路径跑向氧化物，相当于阳极和阴极之间发生短路，这可能会导致火灾或爆炸。
  F: C. O+ A1 t" Z5 H' c2 ]为了避免以上这种情况，在电极之间放置了一层绝缘层，如下图1-8所示，称为隔板。由于其微孔，隔膜可渗透锂离子，但电子不能通过。
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▲ 图 1-8
/ L& {; l) F8 ~6 q+ F  O2 b( R" j在实际锂电池中，石墨和金属氧化物分别涂覆在铜箔和铝箔上，箔在这里充当集电器，并且可以很容易地从集电极中取出正极片和负极片，如下图1-9所示。其中铜箔引出负极，铝箔引出正极。
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+ A1 |' ?3 \" z% m) |5 R7 L ▲ 图 1-9
锂的有机盐用作电解质，并将其涂覆在隔板片上，所有这三块板都围绕一个中央钢芯缠绕在圆柱体上，从而使锂电池更加紧凑。标准锂离子电池的电压在3-4.2伏之间。

以上就是锂离子电池的工作原理，显然，它的充放电过程其实就是锂离子和电子的往复运动过程，充电时，给电池施加电源，让锂离子和电子沿不同路径跑到石墨层，此时锂原子很不稳定；而放电就是给电池施加负载，让锂离子和电子沿之前路径跑到金属氧化物侧，此时锂原子作为金属氧化物的一部分比较稳定。
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