锂离子电池的工作原理和结构详解

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为摇椅电池。

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

一般锂离子电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应要时间。就跟倒啤酒相同，倒太快的话会出现泡沫，反而不满。

对电池来说，正常使用就是放电的过程。

锂离子电池放电要注意几点：

第一，放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害。在手机上，这个倒是没有问题的，可以不考虑。

第二，绝对不能过放电！锂离子电池最怕过放电，一旦放电电压低于2.7V，将可能导致电池报废。好在手机电池内部都已经装了保护电路，电压还没低到损坏电池的程度，保护电路就会起用途，停止放电。从图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。

锂离子电池结构

正极：活性物质，导电剂、溶剂、粘合剂、基体。

电池放电时从外电路获得电子的电极,此时电极发生还原反应。通常是电位高的电极。锂离子电池中的钴酸锂、锰酸锂电极等。

负极：活性物质（石墨、MCMB、CMS)，粘合剂、溶剂、基体。

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电池放电时向外电路输送电子的电极，此时电极发生氧化反应。通常是电位低的电极，锂离子电池中石墨电极。

隔膜

隔膜是放置于两极之间，作为隔离电极的装置，藉以防止两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路。但隔膜仍需能让带电离子通过，以形成通路。

隔膜要求：

1、离子透过度大

2、机械性强度适当

3、本身为绝缘体

4、不与电解液及电极发生反应

材质：单层PE（聚乙烯）或者三层复合PP（聚丙烯）+PE+PP

厚度：单层一般为0.016～0.020mm，三层一般为0.020～0.025mm

电解液

外壳五金件（钢壳、铝壳、盖板、极耳、绝缘片、绝缘胶带）

锂离子电池电芯原材料

正极材料

正极材料在锂离子电池中市场容量最大、附加值较高，大约占锂离子电池成本30%，毛利率低则15%，高则70%以上。

目前已批量应用于锂离子电池的正极材料重要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、钴镍锰酸锂以及磷酸铁锂。

镍酸锂离子电池安全性最差（过充易起火），高温耐受度最低（高温分解），合成难度最高。

钴酸锂最早实现商业化应用，技术发展至今已经很成熟，并已广泛应用在小型低功率的便携式电子产品上，如手机、笔记本电脑和数码电子产品等。

磷酸铁锂作为锂离子电池用正极材料具有良好的电化学性能，充放电平台十分平稳，充放电过程中结构稳定。同时，该材料无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用、原材料来源广泛等优点，是目前电池界竞相开发研究的热点。

负极材料

负极材料占锂电成本比例较低，重要有碳负极材料和非碳负极材料。

碳负极材料：被目前商品锂离子电池广泛采用。

优点：安全、循环寿命较长，价格低廉、无毒。

缺点：质量比能量比较低。

非碳负极材料：按组成分为锂过渡金属氮化物、过渡金属氧化物和纳米合金材料。

优点：有很高的体积能量密度。

缺点：循环稳定性差，不可逆容量较大，制备成本较高，尚未产业化。

负极材料未来以提高容量和循环稳定性为目标，将碳材料与各种高容量非碳负极材料复合以开发高容量、非碳复合负极材料。