鋰離子電池工作原理
什么是鋰離子電池

鋰離子電池：是一種二次電池（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。鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。而真正的鋰電池由于危險(xiǎn)性大，很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。

區(qū)別

鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆：

（1）鋰電池：以金屬鋰為負(fù)極。

（2）鋰離子電池：使用非水液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)。

（3）鋰離子聚合物電池：用聚合物來凝膠化液態(tài)有機(jī)溶劑，或者直接用全固態(tài)電解質(zhì)。鋰離子電池一般以石墨類碳材料為負(fù)極。

鋰離子電池構(gòu)造

1、正極構(gòu)造

LiCoO2+導(dǎo)電劑+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔）

2、負(fù)極構(gòu)造

石墨+導(dǎo)電劑+增稠劑(CMC)+粘結(jié)劑(SBR)+集流體（銅箔）

3、隔膜

一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過。

4、有機(jī)電解液

溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液。

5、電池外殼

分為鋼殼（方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負(fù)極引出端。

鋰離子電池工作原理原理詳解

（1）充電過程

鋰離子電池工作原理原理，是一個(gè)電源給電池充電，此時(shí)正極上的電子e從通過外部電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。此時(shí)：

（2）電池放電過程

鋰離子電池工作原理原理，放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實(shí)是在外電路加一個(gè)可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實(shí)質(zhì)都是在電池正負(fù)極加一個(gè)電阻讓電子通過。由此可知，只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會(huì)放電。電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路不同，放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)過電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。

充放電特性

電芯正極采用LiCoO2 、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一種層結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定的晶型，但當(dāng)從LiCoO2拿走x個(gè)Li離子后，其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，但是否發(fā)生變化取決于x的大小。通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)x >0.5時(shí)，Li1-xCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒終結(jié)。所以電芯在使用過程中應(yīng)通過限制充電電壓來控制Li1-xCoO2中的x值，一般充電電壓不大于4.2V那么x小于0.5 ，這時(shí)Li1-xCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。

負(fù)極C6其本身有自己的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)谝淮位珊?，正極LiCoO2中的Li被充到負(fù)極C6中，當(dāng)放電時(shí)Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負(fù)極C6中心，以保證下次充放電Li的正常嵌入，否則電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負(fù)極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實(shí)現(xiàn)：安全充電上限電壓≤4.2V，放電下限電壓≥2.5V。

記憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化，在鋰電池中幾乎不會(huì)產(chǎn)生這種反應(yīng)。但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會(huì)下降，其原因是復(fù)雜而多樣的。主要是正負(fù)極材料本身的變化，從分子層面來看，正負(fù)極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸塌陷、堵塞；從化學(xué)角度來看，是正負(fù)極材料活性鈍化，出現(xiàn)副反應(yīng)生成穩(wěn)定的其他化合物。物理上還會(huì)出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動(dòng)的鋰離子數(shù)目。

過度充電和過度放電，將對(duì)鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。

不適合的溫度將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部其他化學(xué)反應(yīng)生成我們不希望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負(fù)極之間設(shè)有保護(hù)性的溫控隔膜或電解質(zhì)添加劑。在電池升溫到一定的情況下，復(fù)合膜膜孔閉合或電解質(zhì)變性，電池內(nèi)阻增大直到斷路，電池不再升溫，確保電池充電溫度正常。

電池制作工藝流程

1、（正、負(fù)極）干混→濕混→滾涂膏體在導(dǎo)電基體上→3步干燥→卷繞→切邊（切成一定寬度）→輥壓→卷繞（備用）干混采用球磨, 磨球是玻璃球或氧化鋯陶瓷球；

濕混采用。行星式拌粉機(jī), 其葉片分別裝在2-3個(gè)軸上, 混合效果更好。濕混中溶劑數(shù)量要恰當(dāng), 形成合適的流變態(tài), 以獲得平滑的涂層。滾涂電極膏體要保證一定的粘度, 膏體涂于鋁箔或銅箔的兩面, 而涂層的厚度取決于電池的型號(hào)。然后再相繼通過3個(gè)加熱區(qū)進(jìn)行干燥, NMP（或水）從涂層中隨熱空氣或干燥氮?dú)饬鲃?dòng)而揮發(fā), 溶劑可以回收再利用。輥壓是為了提高涂層的密度, 并使電極厚度能符合電池裝配的尺寸, 輥壓階段的壓力要適中, 以免卷繞時(shí)粉料散落。

2、電池的組裝

圓柱電池的裝配工藝流程：絕緣底圈入筒→卷繞電芯入筒→插入芯軸→焊負(fù)極集流片于鋼筒→插入絕緣圈→鋼筒滾線→真空干燥→注液→組合帽（PTC元件等）焊到正極引極上→封口→X射線檢查→編號(hào)→化成→循環(huán)→陳化。

方形電池裝配工藝流程：絕緣底入鋼盒→片狀組合電芯入筒→負(fù)極集流片焊于鋼盒→上密封墊圈→正極集流片焊于桿引極→組合蓋（PTC元件等）焊到旋引極上→組合蓋定位→激光焊接→真空干燥→注液→密封→X射線檢查→編號(hào)→化成→循環(huán)→陳化。

裝配工藝說明：以圓柱形電池為例（方形電池基本過程相同）。卷繞芯入筒以前, 將鋁條（0.08—0.15㎜厚、3㎜寬）和鎳條（0.04—0.10㎜厚, 3㎜寬）分別用超聲波焊接在正、負(fù)極導(dǎo)電基體的指定處作為集流引極。

電池隔膜一般采用PE/PP2層或PP/PE/PP 3層組成, 隔膜都是經(jīng)過120℃熱處理過的, 以增加其阻止性和提高其安全性。正極、隔膜、負(fù)極3者疊合后卷繞入筒, 由于采用涂膏電極, 故必須讓膏體材料與基體結(jié)合得好, 以形成高密度電極, 特別要防止掉粉, 以免其穿透隔膜而引起電池內(nèi)部短路。在卷繞電芯插入鋼筒以前, 放一個(gè)絕緣底入鋼筒底部是為了防止電池內(nèi)部短路這對(duì)于一般電池都是相同的。電解質(zhì)一般采用LiPF6和非水有機(jī)溶劑, 在真空注液以前,電池要真空干燥24/h, 以除去電池組分中的水分和潮氣, 以免LiPF6與水反應(yīng)形成HF而縮短壽命。電池密封采用涂密封膠、插入墊圈、卷邊加斷面收縮過程,基本原理與堿性可充電池相同。封口以后, 電池要用異丙醇和水的混合液除去油污物和濺出的電解液, 然后再干燥。使用一種氣味傳感器或“ 嗅探器”元件檢查電池漏液情況。

整個(gè)電池裝配完成以后, 電池要用X射線鑒定電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否正常, 對(duì)于電芯不正、鋼殼裂縫、焊點(diǎn)情況、有無短路等進(jìn)行檢查, 排除有上述缺陷的電池, 確保電池質(zhì)量。最后一道工序是化成, 電池第1次充電, 陽極上形成保護(hù)膜, 稱為固體電解質(zhì)中間相層(SEI), 它能防止陽極與電解質(zhì)反應(yīng), 并是電池安全操作、高容量、長壽命的關(guān)鍵要素。電池經(jīng)過幾次充放電循環(huán)以后陳化2—3周, 剔去微短路電池, 再進(jìn)行容量分選包裝后即成為商品了。

電池的性能

1、電性能：

（1） 額定容量：0.5C放電，單體電池放電時(shí)間不低于2h，電池組放電時(shí)間不低于1h54min（95%）；

（2）1C放電容量：1C放電，單體電池放電時(shí)間不低于57min（95%），電池組放電時(shí)間不低于54min（90%）；

（3）低溫放電容量：-20?C下0.5C放電，單體或電池組放電時(shí)間均不低于1h12min（60%）；

（4）高溫放電容量：55?C下0.5C放電，單體電池放電時(shí)間不低于1h54min（95%），電池組放電時(shí)間不低于1h48min（90%）；

（5） 荷電保持及恢復(fù)能力：滿電常溫下擱置28天，荷電保持放電時(shí)間不低于1h36min（80%），荷電恢復(fù)放電時(shí)間不低于1h48min（90%）；

（6）儲(chǔ)存性能：進(jìn)行貯存試驗(yàn)的單體電池或電池組應(yīng)選自生產(chǎn)日期不足3個(gè)月的，貯存前充50％～60％的容量，在環(huán)境溫度40℃±5?C，相對(duì)濕度45％～75％的環(huán)境貯存90天。貯存期滿后取出電池組，用0.2C充滿電擱置1h后，以0.5C恒流放電至終止電壓,上述試驗(yàn)可重復(fù)測(cè)試3次，放電時(shí)間不低余1h12min（60%）；

（7）循環(huán)壽命：電池或電池組采用0.2C充電，0.5C放電做循環(huán)，當(dāng)連續(xù)兩次放電容量低于72min（60%）時(shí)停止測(cè)試，單體電池循環(huán)壽命不低于600次，電池組循環(huán)壽命不低于500次；

（8）高溫?cái)R置壽命：應(yīng)選自生產(chǎn)日期不足三個(gè)月的單體電池的進(jìn)行高溫?cái)R置壽命試驗(yàn)，進(jìn)行擱置前應(yīng)充入50%±5%的容量，然后在環(huán)境溫度為55℃±2?C的條下擱置7天。7天后將電池取出，在環(huán)境溫度為20℃±5?C下擱置2～5h。先以0.5C將電池放電至終止電壓，0.5h后按0.2C進(jìn)行充電，靜置0.5h 后，再以0.5C恒流放電至終止電壓，以此容量作為恢復(fù)容量。以上步驟為1周循環(huán)，直至某周放電時(shí)間低于72min（60%）,試驗(yàn)結(jié)束。擱置壽命不低于56天（8周循環(huán)）。

2、安全性能

（1）持續(xù)充電：將單體電池以0.2ItA恒流充電，當(dāng)單體電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電并保持28d，試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸（相當(dāng)于滿電浮充）。

（2）過充電：將單體電池用恒流穩(wěn)壓源以3C恒流充電，電壓達(dá)到10V后轉(zhuǎn)為恒壓充電，直到電池爆炸或起火或充電時(shí)間為90min或電池表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2?C）時(shí)停止充電，電池應(yīng)不起火、不爆炸（3C10V）；將電池組用穩(wěn)壓源以0.5ItA恒流充電，電壓達(dá)到n×5V（n為串聯(lián)單體電池?cái)?shù)）后轉(zhuǎn)為恒壓充電，直到電池組爆炸或起火或充電時(shí)間為90min或電池組表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2?C）時(shí)停止充電，電池應(yīng)不起火、不爆炸。

（3）強(qiáng)制放電（反向充電）：將單體電池先以0.2ItA恒流放電至終止電壓，然后以1ItA電流對(duì)電池進(jìn)行反向充電，要求充電時(shí)間不低于90min，電池應(yīng)不起火、不爆炸；將電池組其中一只單體電池放電至終止電壓，其余均為充滿電態(tài)的電池，再以1ItA恒流放電至電池組的電壓為0V時(shí)停止放電，電池應(yīng)不起火、不爆炸。

（4）短路測(cè)試：將單體電池經(jīng)外部短路90min，或電池表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2?C）時(shí)停止短路，外部線路電阻應(yīng)小于50mΩ，電池應(yīng)不起火、不爆炸；將電池組的正負(fù)極用小于電阻0.1Ω的銅導(dǎo)線連接直至電池組電壓小于0.2V或電池組表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2?C），電池應(yīng)不起火、不爆炸

3、機(jī)械性能

（1）擠壓：將單體電池放置在兩個(gè)擠壓平面中間，逐漸增加壓力至13kN，圓柱形電池?cái)D壓方向垂直于圓柱軸的縱軸，方形電池?cái)D壓電池的寬面和窄面。每只電池只能接受一次擠壓。試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合4.1.2.1的規(guī)定。在電池組上放一直徑為15cm的鋼棒對(duì)電池組的寬面和窄面擠壓電池組，擠壓至電池組原尺寸的85%，保持5min，每個(gè)電池組只接受一次擠壓。

（2）針刺：將單體電池放在一鋼制的夾具中，用φ3mm～φ8mm的鋼釘從垂直于電池極板的方向貫穿（鋼針停留在電池中），持續(xù)90min，或電池表面溫度穩(wěn)定（45min內(nèi)溫差≤2℃）時(shí)停止試驗(yàn)。

（3）重物沖擊：將單體電池放置于一鋼性平面上，用直徑15.8mm的鋼棒平放在電池中心，鋼棒的縱軸平行于平面，讓重量9.1kg的重物從610mm高度自由落到電池中心的鋼棒上；單體電池是圓柱形時(shí)，撞擊方向垂直于圓柱面的縱軸；單體電池是方形時(shí)，要撞擊電池的寬面和窄面，每只電池只能接受一次撞擊。

（4） 機(jī)械沖擊；將電池或電池組采用剛性固定的方法（該方法能支撐電池或電池組的所有固定表面）將電池或電池組固定在試驗(yàn)設(shè)備上。在三個(gè)互相垂直的方向上各承受一次等值的沖擊。至少要保證一個(gè)方向與電池或電池組的寬面垂直，每次沖擊按下述方法進(jìn)行：在最初的3ms內(nèi)，最小平均加速度為735m/s2，峰值加速度應(yīng)該在1225 m/s2和1715 m/s2之間。

（5） 振動(dòng)：將電池或電池組直接安裝或通過夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)面上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為頻率10Hz～55Hz，加速度29.4 m/s2，XYZ每個(gè)方向掃頻循環(huán)次數(shù)為10次，掃頻速率為1oct/min。

（6）自由跌落：將單體電池或電池組由高度（最低點(diǎn)高度）為600mm的位置自由跌落到水泥地面上的20mm厚的硬木板上，從XYZ三個(gè)方向各一次。自由跌落結(jié)束后。

4、環(huán)境適應(yīng)性

（1） 高溫烘烤：將單體電池放入高溫防爆箱中，以（5±2?C）/min升溫速率升溫至130℃，在該溫度下保溫10min。

（2） 高溫儲(chǔ)存：將單體電池或電池組放置在75±2?C的烘箱中擱置48h，電池應(yīng)，應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸。

（3）低氣壓：（UL標(biāo)準(zhǔn)）。

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