一、鋰電池的原理

1、簡(jiǎn)述鋰電池以及工作原理

鋰離子電池自1990年問(wèn)世以來(lái)，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展，并廣泛地應用于社會(huì )。鋰離子電池以其它電 池所不可比擬的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了許多領(lǐng)域，象大家熟知的移動(dòng)電話(huà)、筆記本電腦、小型攝像機等等。

目前鋰電池公認的基本原理是所謂的“搖椅理論”。鋰電池的沖放電不是通過(guò)傳統的方式實(shí)現電子的轉移，而是通過(guò)鋰離子在層壯物質(zhì)的晶體中的出入，發(fā)生能量變化。在正常沖放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會(huì )引起晶體結構的破壞，因此從沖放電反映來(lái)講，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。在沖放電時(shí)鋰離子在電池正負極往返出入，正像搖椅一樣在正負極間搖來(lái)?yè)u去，故有人將鋰離子電池形象稱(chēng)為搖椅電池。

我們經(jīng)常說(shuō)的鋰離子電池的優(yōu)越性是針對于傳統的鎳鎘電池（Ni/Cd）和鎳氫電池（Ni/MH）來(lái)講的。 具有工作電壓高比能量大循環(huán)壽命長(cháng)自放電率低無(wú)記憶效應等優(yōu)點(diǎn)。

1.鋰離子電池

鋰離子電池包含兩個(gè)被電解質(zhì)阻隔的電極。電解質(zhì)是一種離子導體和電子絕緣體。在放電過(guò)程中，電池將化學(xué)能轉化為電能。電池包中可以包含幾個(gè)或者平行串聯(lián)的單個(gè)電池。

鋰離子電池是一種被人們熟知的rocking chair或者swing電池，因為其在充放電過(guò)程中電荷媒介會(huì )在電解質(zhì)中穿梭在電極材料中嵌入或者遷出。

2.電池電壓

在某種意義上，電池可以看作“電荷”泵。正負極端的壓力差被稱(chēng)作為電壓或者電動(dòng)勢。通過(guò)外電路進(jìn)行電子轉移的自由能以及在兩個(gè)插層電極之間的鋰離子在兩端之間的化學(xué)電壓是相關(guān)的。電極的電勢越高，材料中的Li就越難遷出。在放電過(guò)程中，Li能夠從陽(yáng)極中能量較高的狀態(tài)轉移到陰極能量較低的狀態(tài)。

電池依靠其電化學(xué)活性物質(zhì)來(lái)儲存化學(xué)能。這些能量可以按照需求通過(guò)氧化還原反應來(lái)轉化為電能。

3.電池的組成

鋰離子電池一般包含三個(gè)主要成分：陽(yáng)極，陰極，電解質(zhì)。

陽(yáng)極：在放電過(guò)程中電子通過(guò)外電路轉移走，電極材料被氧化。大部分商用的電池使用基于炭/石墨的電極材料；不過(guò)金屬或者合金也可以作為陽(yáng)極材料。

陰極：在放電過(guò)程中，通過(guò)外電路接收電子；通常使用過(guò)渡金屬氧化物或者磷化物來(lái)作為陰極材料。

電解質(zhì)：電解質(zhì)是一個(gè)離子導體，電子的不良導體。電解質(zhì)阻隔電池的陰陽(yáng)極，同時(shí)能提供電子轉移的媒介。電解質(zhì)一般使用一些非水的有機溶劑，里面溶解一些含Li+的鹽。比如LiPF6溶解在碳酸丙烯酯中。

備注：這里省略對隔膜和外殼的介紹。

4.鋰離子電池的充放電過(guò)程

A. 充電過(guò)程

電子一般在放電狀態(tài)進(jìn)行組裝。在充電過(guò)程中，陰極材料（如：LiCoO2）被氧化，鋰離子從層狀的插層材料中脫出，穿過(guò)電解質(zhì)然后插層到石墨層之中。

B. 放電過(guò)程

在放電過(guò)程中，負極發(fā)生氧化反應，鋰離子從陽(yáng)極脫出然后穿過(guò)電解質(zhì)重新插層到陰極之中。對應的，相應數量的電子會(huì )穿過(guò)外電路從而平衡電荷。與此同時(shí)，正極材料從外電路接收電子和來(lái)自溶液中的Li+離子從而發(fā)生還原反應。電極和電解質(zhì)界面發(fā)生電子電流和離子電流的交換。

基于插層機理的電池——可逆的插入一個(gè)外來(lái)離子到固體結構中，而不會(huì )破壞宿主材料的結構

2、鋰電池日常使用過(guò)程中的常識

（1）、誤區：“電池激活，前三次充電12小時(shí)以上”

對于鋰電池的“激活”問(wèn)題，眾多的說(shuō)法是：充電時(shí)間一定要超過(guò)12小時(shí)，反復做三次，以便激活電池。這種“前三次充電要充 12小時(shí)以上”的說(shuō)法，明顯是從鎳電池（如鎳鎘和鎳氫）延續下來(lái)的說(shuō)法。所以這種說(shuō)法，可以說(shuō)一開(kāi)始就是誤傳。經(jīng)過(guò)抽樣調查，可以看出有相當一部分人混淆了兩種電池的充電方法。

鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區別，所查閱過(guò)的所有嚴肅的正式技術(shù)資料都強調過(guò)充和過(guò)放電會(huì )對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標準時(shí)間和標準方法充電，特別是不要進(jìn)行超過(guò)12個(gè)小時(shí)的超長(cháng)充電。通常，手機說(shuō)明書(shū)上介紹的充電方法，就是適合該手機的標準充電方法。

（2）、 不益長(cháng)時(shí)間充電、電池完全用完再充電

鋰電池的手機或充電器在電池充滿(mǎn)后都會(huì )自動(dòng)停充，并不存在鎳電充電器所謂的持續10幾小時(shí)的“涓流”充電。如果鋰電池在充滿(mǎn)后，放在充電器上也是也不再充電。

超常時(shí)間充電和完全用空電量會(huì )造成過(guò)度充電和過(guò)度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，過(guò)度放電將導致負極碳過(guò)度釋出鋰離子而使得其片層結構出現塌陷，過(guò)度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負極碳結構里去，而使得其中一些鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。

（3）、電池壽命

關(guān)于鋰離子電池充放電循環(huán)的實(shí)驗表，關(guān)于循環(huán)壽命的數據列出如下(DOD是放電深度的英文縮寫(xiě))：

循環(huán)壽命 (10％DOD)：> 1000次

循環(huán)壽命 (100％DOD)：> 200次

從上面數據可見(jiàn)，可充電次數和放電深度有關(guān)，10％DOD時(shí)的循環(huán)壽命要比100％DOD的要長(cháng)很多。當然 如果折合到實(shí)際充電的相對總容量10％*1000=100，100％*200=200，后者的完全充放電還是要比較好一 些。但是鋰電池的壽命主要體現在充放電周期上，這個(gè)周期是一個(gè)絕對概念，上次使用了30％電力，充滿(mǎn)電，下次又使用了70％的電力，又充滿(mǎn)電，這個(gè)剛好是 一個(gè)充電周期。所以還是遵循鋰電池發(fā)明者的口號“即用即充，即充即用”的方法使用鋰電池。

（4）、定期深度充放電進(jìn)行

鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、 溫度、ID 、充電狀態(tài)、放電次數等數值。這些數值在使用中會(huì )逐漸變化。使用說(shuō)明中的“使用一個(gè)月左右應該全充放一次”的做法主要的作用應該就是修正這些寄存器里不當 的值。

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