鋰離子電池工作原理

鋰離子電池的工作原理是充電和放電。

當(dāng)電池充電時(shí)，電池正極出現(xiàn)的鋰離子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極。到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌在碳層的微孔中。鋰離子嵌入越多，充電容量越大。

當(dāng)電池放電(我們使用電池的過(guò)程)時(shí)，嵌在碳層中的鋰離子會(huì)移回陽(yáng)極。鋰離子越回到正極，放電容量越大。我們通常所說(shuō)的電池容量是指放電容量。在鋰離子電池的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極到負(fù)極再到正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

鋰離子電池的正極通常由活性化合物鋰構(gòu)成，而負(fù)極則是具有特殊分子結(jié)構(gòu)的碳。常用陽(yáng)極材料的重要成分為L(zhǎng)iCoO2。充電時(shí)，電極上的電勢(shì)迫使陽(yáng)極化合物釋放鋰離子，并將其嵌入碳中，陽(yáng)極分子呈層流結(jié)構(gòu)排列。在放電過(guò)程中，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)中與碳分離，并與陽(yáng)極化合物復(fù)合。鋰離子的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)電流。在正電荷電極上發(fā)生的反應(yīng)是

LiCoO2==Li(1-)xCoO2+XLi++Xe-(電子)

在負(fù)電荷電極上發(fā)生的反應(yīng)是

6c+XLi++Xe-=LixC6

總可充電電池反應(yīng):LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，要考慮的問(wèn)題遠(yuǎn)沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)原理簡(jiǎn)單。為了維持多電荷的活性正極材料，要添加添加劑，而負(fù)極材料要在分子結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以容納更多的鋰離子。除了保持穩(wěn)定性外，正負(fù)電極之間的電解質(zhì)還要具有良好的導(dǎo)電性，降低電池的內(nèi)阻。鎳鎘電池的結(jié)晶記憶效應(yīng)在鋰離子電池中幾乎不存在。鋰離子電池的正極和負(fù)極材料本身的變化，即過(guò)充和過(guò)放電，會(huì)對(duì)鋰離子電池的正極和負(fù)極造成永久性的損傷。從物理和分子的角度來(lái)看，正極和負(fù)極上含有鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)將逐漸坍塌和堵塞。從化學(xué)角度看，它是陽(yáng)極和陰極材料的主動(dòng)鈍化，并發(fā)生副反應(yīng)出現(xiàn)其他穩(wěn)定的化合物。在物理上，陽(yáng)極材料會(huì)逐漸脫落，最終減少電池中鋰離子的數(shù)量，使其在充放電過(guò)程中可以自由移動(dòng)。其中一些鋰離子不能再被釋放。過(guò)度充電會(huì)迫使過(guò)多的鋰離子進(jìn)入負(fù)碳結(jié)構(gòu)，這就是鋰離子電池通常配備充放電控制電路的原因。多次充電后鋰離子電池容量下降的原因復(fù)雜多樣。