现代有轨电车锂离子电池结构与工作原理

锂离子电池是分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。由于锂离子电池靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作，因此又被人们形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。图4-2为锂离子电池原理图。图4-3所示为锂离子充放电过程。

图4-3 锂离子电池充放电过程

锂离子电池在原理上实际是一种锂离子浓差电池，正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，通过Li⁺在正负极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。从充放电的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。锂离子电池的电极反应表达式分别为

正极反应式：

负极反应式：

电池反应式：

式中，M为Co、Ni、W、Mn等金属元素。(www.xing528.com)

锂离子电池的工作原理主要包括以下几点：

1）当电池充电时，锂离子从正极脱嵌，在负极嵌入，放电时则相反。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言，电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物作正极，如Li_xCoO₂、Li_xNiO₂、Li_xMn₂O₄。

2）作为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种锂碳层间化合物Li_xC₆，包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等，以及金属氧化物，包括S_nO、S_nO₂、锡复合氧化物S_nB_xP_yO_z等。

3）电解质采用LiPF₆的乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低黏度二乙基碳酸酯（DEC）等烷基碳酸酯搭配的混合溶剂体系。

4）充电过程中，Li⁺正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。

5）放电过程则相反，Li⁺从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂状态，负极处于贫锂状态。放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。

6）隔膜采用聚烯微多孔膜，如PE、PP或它们的复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险的作用。

7）外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。

随着移动电子设备的迅速发展和能源需求的不断增大，人们对锂离子电池的需求也越来越大。锂离子电池的高容量、适中的电压、广泛的来源以及其循环寿命长、成本低、性能好、对环境无污染等特点，决定了它不仅可以应用于移动通信工具，还可能成为现在正迅速发展的电动车辆的动力电源。锂离子电池的使用类别见表4-6。

表4-6 锂离子电池的使用类别