锂离子电池的工作原理

锂离子电池的工作原理

锂离子电池的结构如图2.1和图2.2 所示，一般由正极、负极和高分子隔膜构成。

锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如Li x CoO2，Li x NiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物Li x C6，其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(Li x CoO2）和有机电解液三部分组成。

锂离子电池的电化学表达式：

正极反应：

负极反应：

电池反应：

式中：M=Co、Ni、Fe、W等。

图2.1 锂离子电池结构示意图图2.2 圆柱形锂离子电池结构图锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池”。

锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，它基本解决了

困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。

锂离子电池的主要性能

锂离子电池的额定电压为3.6V（少数的是3.7V）。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：石墨的4.2V；焦炭的4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在±1％之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4～2.7V（电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同）。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。

其使用有一定要求：充电温度：0℃～45℃；保存温度：-20℃～+60℃。锂离子电池不适合大电流充放电。一般充电电流不大于1C，放电电流不大于2C（C 是电池的容量，如C=950mAh，1C的充电率即充电电流为950mA）。充电、放电在20℃左右效果较好，在负温下不能充电，并且放电效果差[4]，（在-20℃放电效果最差，不仅放电电压低，放电时间比20℃放电时的一半还少）。

锂离子电池的充放电特性

锂离子电池的标称电压为3.6V，充满电压为4.2V，对过充电和过放电都比较敏感。为了最大限度减少锂离子电池易受到的过充电、深放电以及短路的损害，单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。其充放电特性如图2-3

锂离子电池的充电特性

锂电池在充电中具有如下的特性:

1.在充电前半段，电压是逐渐上升的;

2.在电压达到4.2V后，内阻变化，电压维持不变;

3.整个过程中，电量不断增加;

4.在接近充满时，充电电流会达到很小的值。

经过多年的研究，已经找到了较好的充电控制方法:

1.涓流充电达到放电终止电压

2. 7V ;

2.使用恒流进行充电，使电压基本达到4.2V。安全电流为小于0.8C;

3.恒流阶段基本能达到电量的80% ;

图2.3 锂离子电池充电特性

4.转为恒压充电，电流逐渐减小;

5.在电流达到较小的值(如0.05C)时，电池达到充满状态。

这种CC-CV的充电方式能很好的到达电池的充满状态，并且不损害电池，已经成为锂离子电池的主要充电方式。

但是在电池电压已经很低的情况下，电池内部的锂离子活性减弱，如果此时用比较大的电流充电，也有可能对电池有损害。如同人在剧烈运动前要进行必要的热身活动一样，锂离子的活性也要逐步激活。可以在电池低压段采用涓流方式，有效激活电池电压到2.7V以上，然后采用CC-CV的充电方式，有效的保护电池。

锂离子电池的放电特性

锂离子电池在线监测过程中，大部分电池参数是在对锂离子电池放电过程中得到，因此，对电池放电是电池监测中必不可少的环节。由于锂离子电池对过放电十分敏感，深度放电将严重影响锂离子电池的质量。因此，单体锂离子电池的放电电压必须得到精确控制。

实验发现，锂离子电池在放电终止电压2.7V的条件下，放电电流越大电池的极化越大，电池的放电容量越小，但电池的静态电压与电池的放电深度的关系是基本保持不变的状态。锂离子电池以大电流放电(大于2C)的情况下，电池的放电曲线出现了电压先降低后上升的现象

通常情况下，确定锂离子电池放电电流大小时，不能用电流的绝对值来衡量，而用额定容量C与放电时间的比来表示，称作放电速率或放电倍率。对于1700mAh的电池，如果以0.1C的电流放电，则放电电流为170mA。由于锂离子电池的内阻，一般在30-100 mΩ之间，大电流放电或充电都会导致电池升温，因此在监测过程中，锂离子电池一般不允许高速率放电，一般放电速率应小于0.5C，最大连续放电速率不能超过1.5C，电压低于2.7V时应终止放电。