鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌來工作。電池具有能量密度高、占地面積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在生活中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以鋰電池為例，全面講解鋰電池的工作原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。

鋰離子電池的主要組成

鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖

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正極

活性物質(zhì)一般是鈷酸鋰或者 錳酸鋰 ，鎳鈷錳酸鋰等材料，電動(dòng)車則普遍是用鎳鈷錳酸鋰（俗稱三元）或者三元+少量錳酸鋰，純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本過高而逐漸淡出視野，導(dǎo)電極流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

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負(fù)極

活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

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隔膜

正負(fù)極之間有—種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜 ，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，使正負(fù)極隔離，防止電子穿過，同時(shí)又能使鋰離子順利通過。

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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。

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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。

鋰電池工作原理

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鋰電池充電過程

電池的正極由鋰離子生成，生成的鋰離子從正極“跳進(jìn)”電解液里，通過電解液“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，與早就通過外部電路跑到負(fù)極的電子結(jié)合在一起。

●正極上發(fā)生的反應(yīng)為：**LiCoO2==充電==Li1-xCoO2+Xli++Xe(電子)**

●負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：6C+XLi++Xe→LixC6

在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進(jìn)入電解液，在充電器附加的外電場(chǎng)作用下向負(fù)極移動(dòng)，依次進(jìn)入石墨或焦炭C組成的負(fù)極，在負(fù)極形成LiC化合物。

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鋰電池放電過程

放電時(shí)電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路徑不同，電子從負(fù)極通過外部電路跑到正極；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。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段：恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。

鋰離子電池過度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽命的2~4倍。

鋰離子電池主要性能指標(biāo)

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電池的容量

電池容量是 在一定條件下 （放電率、溫度、終止電壓等）放出的電量，通常以mAh、Ah(1Ah=1000mAh)為單位。其有額定容量和實(shí)際容量之分。電池的額定容量是指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下， 以5h率放電至終止電壓時(shí)所應(yīng)提供的電量 ，用C5表示。電池的實(shí)際容量是指電池 在一定的放電條件下所放出的實(shí)際電量 ，主要受放電倍率和溫度的影響。如下圖為磷酸鐵鋰電池在不同倍率下的放電電壓與容量關(guān)系曲線：

（不同放電電流與容量的關(guān)系曲線圖）

從上圖中可以看出，電池放電電流的大小會(huì)直接影響到電池的實(shí)際容量。 放電電流越大，電池容量相應(yīng)減小 ，這表明放電電流越大，到達(dá)終止電壓經(jīng)歷的時(shí)間越短。所以談到電池容量時(shí)，應(yīng)指明其放電電流(放電倍率)。

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電池內(nèi)阻

電池內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。由歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。 電池內(nèi)阻值大，會(huì)導(dǎo)致電池放電工作電壓降低，放電時(shí)間縮短 。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響。電池內(nèi)阻是衡量電池性能的一個(gè)重要參數(shù)。

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電壓

開路電壓是指電池在非工作狀態(tài)下即電路中無電流流過時(shí)，電池正負(fù)極之間的電勢(shì)差 。一般情況下，鋰離子電池充滿電后開路電壓為4.1—4.2V左右，放電后開路電壓為3.0V左右。通過對(duì)電池的開路電壓的檢測(cè)，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。

工作電壓又稱端電壓，是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流流過時(shí)電池正負(fù)極之間的電勢(shì)差。 在電池放電工作狀態(tài)下，工作電壓低于開路電壓，充電時(shí)則與之相反。鋰離子電池的放電工作電壓在3.6V左右。

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放電平臺(tái)時(shí)間

放電平臺(tái)時(shí)間是指在電池滿電情況下， 以制定的放電條件(如倍率和溫度等)放電至某電壓的放電時(shí)間。 例如：對(duì)某三元電池測(cè)量其3.6V的放電平臺(tái)時(shí)間，以恒壓充到電壓為4.2V，并且充電電流小于0.02C時(shí)停止充電即充滿電后，擱置10分鐘，在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時(shí)的放電時(shí)間即為該電流下的放電平臺(tái)時(shí)間。這段時(shí)間越長(zhǎng)，表明電池放電平臺(tái)越高，即該電池性能越好。

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充放電倍率

充放電倍率是 指電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所需要的電流值 ，1C在數(shù)值上等于電池額定容量，通常以字母C表示。如電池的標(biāo)稱額定容量為10Ah，則10A為1C（1倍率），5A則為0.5C，100A為10C，以此類推。

鋰離子電池的充放電倍率性能主要與鋰離子電池的電極材料和電解質(zhì)有關(guān)。 電極材料的類型、結(jié)構(gòu)、尺寸和表面電阻會(huì)直接或間接影響電極的內(nèi)阻 ，進(jìn)而對(duì)鋰離子電池的倍率性能產(chǎn)生影響。電解質(zhì)的鋰離子傳導(dǎo)能力和電化學(xué)窗口會(huì)影響電池的嵌鋰程度、循環(huán)性能和安全性能。

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自放電率

電池的自放電現(xiàn)象是指電池處于開路擱置時(shí)，其容量自發(fā)損耗的現(xiàn)象，也稱為荷電保持能力。 自放電一般可分為兩種：可逆自放電和不可逆自放電。損失容量能夠可逆得到補(bǔ)償?shù)臑榭赡孀苑烹姡湓砀姵卣７烹姺磻?yīng)相似。損失容量無法得到補(bǔ)償?shù)淖苑烹姙椴豢赡孀苑烹姡渲饕蚴请姵貎?nèi)部發(fā)生了不可逆反應(yīng)，包括正極與電解液反應(yīng)、負(fù)極與電解液反應(yīng)、電解液自帶雜質(zhì)引起的反應(yīng)，以及制成時(shí)所攜帶雜質(zhì)造成的微短路引起的不可逆反應(yīng)等。

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效率

充電效率是指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲(chǔ)存的化學(xué)能程度的量度。 主要受電池工藝，配方及電池的工作環(huán)境溫度影響，一般環(huán)境溫度越高，則充電效率要低。

放電效率是指在一定的放電條件下放電至終點(diǎn)電壓所放出的實(shí)際電量與電池的額定容量之比 ，主要受放電倍率，環(huán)境溫度，內(nèi)阻等因素影響，一般情況下，放電倍率越高，則放電效率越低。溫度越低，放電效率越低。

Part.3

循環(huán)壽命

隨著鋰離子電池充電、放電，電池容量降低到額定容量的 70％ 時(shí)，所獲得的充放電次數(shù)稱為循環(huán)壽命。鋰離子電池循環(huán)壽命一般要求大于500次。

隨著電動(dòng)交通工具在性能上和節(jié)能環(huán)保上的要求不斷提高，鋰離子電池也迎來了它的高速增長(zhǎng)期。幾乎所有的電動(dòng)交通工具的都用鋰電池來作為電源供給， 如何延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高充電效率， 充分的發(fā)揮鋰電池的供給性能成為了廠商需要亟待解決的一大難題。

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CDY-C系列便攜鋰電池充電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池整個(gè)充電過程的智能化控制，具有功率因數(shù)高、諧波小、效率高、輕便便攜等特點(diǎn)；具備 全自動(dòng)、恒壓、恒流、涓流充，充滿自動(dòng)關(guān)斷 ，帶有多種擴(kuò)展通訊接口（RS232、RS485、CAN、USB）。廣泛應(yīng)用于叉車/牽引車/觀光車/清掃車/巡邏車/船舶等領(lǐng)域。