锂离子电池的工作原理解析

锂离子电池以碳素材料作负极，以含锂化合物作正极。由于在电池中没有金属锂存在，只有锂离子存在，故称之为锂离子电池。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[149]。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，所以被形象地称为“摇椅电池”。

当对锂离子电池进行充电时，电池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[150]。作为负极的碳素材料呈层状结构，内部有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层微孔中。嵌入的锂离子越多，充电容量就越高。同样，当对电池进行放电时（即使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回到正极的锂离子越多，放电容量就越高[151]。锂离子电池的工作原理如图2-4所示。一般锂离子电池充电电流设定在0.2～1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且采用过大的电流来充电，容量不容易充满，这是因为电池内部的电化学反应需要时间，就跟人们倒啤酒一样，倒得太快的话容易产生泡沫，盈满酒杯，反而不容易倒满啤酒。

锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功，它把锂离子嵌入碳（石油焦炭和石墨）中形成负极（传统锂电池用锂或锂合金作负极），正极材料常用LixCoO2，也有用LixNiO2和LixMnO4的，电解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯（EC）+二甲基碳酸酯（DMC）[152]。(www.xing528.com)

石油焦炭和石墨作负极材料无毒，且资源充足。锂离子嵌入碳中，克服了锂的高活性，解决了传统锂电池存在的安全问题。正极LixCoO2在充、放电性能和寿命上均能达到较高水平，同时还使成本有所降低，总之锂离子电池的综合性能提高了[153]。

图2-4　锂离子电池工作原理图