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極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機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：以金屬鋰為負極。

（2）鋰離子電池：使用非水液態(tài)有機電解質(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，是一個電源給電池充電，此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達負極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。此時：

（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，恒流放電其實是在外電路加一個可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實質(zhì)都是在電池正負極加一個電阻讓電子通過。由此可知，只要負極上的電子不能從負極跑到正極，電池就不會放電。電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路不同，放電時，電子從負極經(jīng)過電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達正極，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，但當從LiCoO2拿走x個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x >0.5時，Li1-xCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會發(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Li1-xCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。

負極C6其本身有自己的特點，當?shù)谝淮位珊?，正極LiCoO2中的Li被充到負極C6中，當放電時Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負極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留在負極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實現(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下降，其原因是復(fù)雜而多樣的。主要是正負極材料本身的變化，從分子層面來看，正負極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會逐漸塌陷、堵塞；從化學(xué)角度來看，是正負極材料活性鈍化，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的鋰離子數(shù)目。

過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導(dǎo)致負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負極碳結(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極之間設(shè)有保護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, 其葉片分別裝在2-3個軸上, 混合效果更好。濕混中溶劑數(shù)量要恰當, 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。然后再相繼通過3個加熱區(qū)進行干燥, NMP（或水）從涂層中隨熱空氣或干燥氮氣流動而揮發(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→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→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, 放一個絕緣底入鋼筒底部是為了防止電池內(nèi)部短路這對于一般電池都是相同的。電解質(zhì)一般采用LiPF6和非水有機溶劑, 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, 對于電芯不正、鋼殼裂縫、焊點情況、有無短路等進行檢查, 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，單體電池放電時間不低于2h，電池組放電時間不低于1h54min（95%）；

（2）1C放電容量：1C放電，單體電池放電時間不低于57min（95%），電池組放電時間不低于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，單體電池放電時間不低于1h54min（95%），電池組放電時間不低于1h48min（90%）；

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

（6）儲存性能：進行貯存試驗的單體電池或電池組應(yīng)選自生產(chǎn)日期不足3個月的，貯存前充50％～60％的容量，在環(huán)境溫度40℃±5?C，相對濕度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,上述試驗可重復(fù)測試3次，放電時間不低余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)，當連續(xù)兩次放電容量低于72min（60%）時停止測試，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）高溫擱置壽命：應(yīng)選自生產(chǎn)日期不足三個月的單體電池的進行高溫擱置壽命試驗，進行擱置前應(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)，直至某周放電時間低于72min（60%）,試驗結(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，當單體電池端電壓達到充電限制電壓時，改為恒壓充電并保持28d，試驗結(jié)束后，應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火、不爆炸（相當于滿電浮充）。

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

（3）強制放電（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電流對電池進行反向充電，要求充電時間不低于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時停止放電，電池應(yīng)不起火、不爆炸。

（4）短路測試：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、機械性能

（1）擠壓：將單體電池放置在兩個擠壓平面中間，逐漸增加壓力至13kN，圓柱形電池擠壓方向垂直于圓柱軸的縱軸，方形電池擠壓電池的寬面和窄面。每只電池只能接受一次擠壓。試驗結(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℃）時停止試驗。

（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，撞擊方向垂直于圓柱面的縱軸；單體電池是方形時，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設(shè)備上。在三個互相垂直的方向上各承受一次等值的沖擊。至少要保證一個方向與電池或電池組的寬面垂直，每次沖擊按下述方法進行：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：將電池或電池組直接安裝或通過夾具安裝在振動臺面上進行振動試驗。試驗條件為頻率10Hz～55Hz，加速度29.4 m/s2，XYZ每個方向掃頻循環(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標準）。

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