鋰離子電池工作原理（鋰離子電池工作原理） 每日信息

摘要：鋰離子電池是一種可充電電池，主要依靠鋰離子在正極和負極之間的運動。在充放電過程中，Li在兩個電極之間來回嵌入和脫出：電池充電時，Li從正極脫出，通過電解液嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。下面文章為我們詳細介紹鋰電池的原理和維護方法。

【鋰離子電池原理】鋰離子電池工作原理鋰離子電池正負極材料

鋰離子電池是一種可充電電池，主要依靠鋰離子在正極和負極之間的運動。在充放電過程中，Li在兩個電極之間來回嵌入和脫出：電池充電時，Li從正極脫出，通過電解液嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。通常，含鋰材料用作電極。是現代高性能電池的代表。

(資料圖片)

鋰離子電池-簡介

鋰離子電池(Li-ion，鋰離子電池):鋰離子電池因其重量輕、容量大、無記憶效應等優點而被廣泛使用?！F在很多數碼設備都是用鋰離子電池供電的，雖然它的價格比較貴。鋰離子電池能量密度高，容量是同重量鎳氫電池的1.5~2倍，自放電率很低。此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”、不含有毒物質等優點也是其應用廣泛的重要原因。

鋰離子電池工作原理

鋰離子電池原理結構鋰離子電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，也就是俗稱的鋰電池。目前使用的是手機等鋰離子電池，而真正的鋰電池因為風險大，在日常電子產品中并沒有使用。

鋰離子電池正極和負極材料

鋰離子電池負極材料為碳材料，正極材料為含鋰化合物。沒有金屬鋰，只有鋰離子，是鋰離子電池。鋰離子電池是以鋰離子嵌入化合物為正極材料的電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程就是鋰離子的嵌入和脫出過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，伴隨著相當于鋰離子的電子的嵌入和脫嵌(傳統上正極用嵌入或脫嵌表示，負極用嵌入或脫嵌表示)。鋰離子在充放電過程中，在正負極之間來回嵌入/脫嵌、嵌入/脫嵌，形象地稱為“搖椅電池”。

鋰離子電池具有高能量密度和高平均輸出電壓。從小出院，每月10%以下。沒有記憶效應。工作溫度范圍為-20 ~ 60。優異的循環性能，快速充放電，充電效率高達100%，輸出功率高。使用壽命長。沒有環境污染，被稱為綠色電池。

充電是電池再利用的重要步驟。鋰離子電池的充電過程可分為兩個階段：恒流快速充電階段(指示燈為紅色或黃色)和恒壓電流遞減階段(指示燈為綠色)。在快速充電階段，電池的電壓逐漸上升到電池的標準電壓，然后在控制芯片的控制下轉向恒壓階段。電壓不再上升以保證不會過充，電流隨著電池容量的增加逐漸下降到0，最終完成充電。電量統計芯片可以通過記錄放電曲線對電池電量進行采樣和計算。鋰離子電池重復使用后，放電曲線會發生變化。鋰離子電池雖然沒有記憶效應，但是充電不當會嚴重影響電池性能。

鋰離子電池過度充放電會

充電量等于充電電流乘以充電時間。當充電控制電壓不變時，充電電流越大(充電速度越快)，充電量越小。充電速度過快，終止電壓控制點不當也會導致電池容量不足。事實上，電池的一些電極活性材料在沒有充分反應的情況下就停止充電，這種充電不足的現象隨著循環次數的增加而加劇。

鋰離子電池-鋰離子電池的組件

鋼/鋁外殼系列：

(1)上下電池蓋

(2)正極3354的活性材料通常是鋰鈷氧化物。

(3)隔膜3354是一種特殊的復合膜。

(4)負電極3354的活性材料是碳。

(5)有機電解質

(6)電池外殼(分為鋼制外殼和鋁制外殼)

軟包裝系列

(1)正極3354的活性材料通常是鋰鈷氧化物。

(2)膜——PP或PE復合膜

(3)負電極3354的活性材料是碳。

(4)有機電解質

(5)電池外殼——鋁塑復合膜

鋰離子電池工作原理

鋰離子電池示意圖

當電池充電時，鋰離子在電池的正極生成，生成的鋰離子通過電解液向負極移動。作為負電極，碳具有層狀結構，并且它具有許多微孔。到達負極的鋰離子嵌入碳層的微孔中。嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當電池放電時(即電池使用的過程)，嵌在負極碳層中的鋰離子出來，移回正極。返回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

鋰電池的充電電流一般設定在0.2C之間。電流越大，充電越快，電池產生的熱量越大。此外，容量不會因充電電流過大而滿，因為電

鋰電池放電需要注意幾點：

第一，放電電流不能過大，過大的電流導致電池內部發熱，有可能會造成永久性的損害。在 手機 上，這個倒是沒有問題的，可以不考慮。

第二，絕對不能過放電!鋰電池最怕過放電，一旦放電電壓低于2.7V，將可能導致電池報廢。好在手機電池內部都已經裝了保護電路，電壓還沒低到損壞電池的程度，保護電路就會起作用，停止放電。從圖上可以看出，電池放電電流越大，放電容量越小，電壓下降更快。

鋰離子電池 - 安全隱患

鋰離子電池鋰離子電池鋰離子電池的安全性問題，不僅與池材料本身性質有關，而且與電池制備技術和使用有關。手機電池頻頻發生爆炸事件，一方面是由于保護電路失效，但更重要的是在于材料方面并沒有根本的解決問題。

鈷酸鋰正極活性材料在小電芯方面是很成熟的體系，但是充滿電后，仍舊有大量的鋰離子留在正極，當過充時，殘留在正極的鋰離子將會涌向負極，在負極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過充時必然的結果，甚至在正常充放電過程中，也有可能會有多余的鋰離子游離到負極形成枝晶，鈷酸鋰材料的理論比能量是超過每克270毫安時的，但為保證其循環性能，實際使用容量只有理論容量的一半。在使用過程中，由于某種原因(如管理系統損壞)而導致電池充電電壓過高，正極中剩余的一部分鋰就會脫出，經電解液到負極表面以金屬鋰的形式沉積形成枝晶。枝晶刺穿隔膜，形成內部短路。

電解液的主要成分為碳酸酯，閃點很低，沸點也較低，在一定條件下會燃燒甚至爆炸。如電池出現過熱，會導致電解液中的碳酸酯被氧化和還原，產生大量氣體和更多的熱，如缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放，電池內壓便會急劇上升而引起爆炸。

聚合物電解質鋰離子電池并沒有從根本上解決安全性問題，同樣使用鈷酸鋰和有機電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會發生更猛烈的燃燒，燃燒是聚合物電池安全性最大的問題。

在使用方面也存在一些問題，電池發生外部短路或內部短路將產生幾百安培的過大電流。外部短路時電池瞬間大電流放電，在內阻上消耗大量能量，產生巨大熱量。內部短路形成大電流，溫度上升導致隔膜熔化，短路面積擴大，進而形成惡性循環。

鋰離子電池為達到單只電芯 3～4.2V的高工作電壓，必須采取分解電壓大于2V的有機電解液，而采用有機電解液在大電流、高溫的條件下會被電解，電解產生氣體，導致內部壓力升高，嚴重會沖破殼體。

過充可能會析出金屬鋰，在殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導致燃燒，同時引燃電解液，發生強烈火焰，氣體急速膨脹，發生爆炸。

另外，對于手機鋰離子電池，由于使用不當，如擠壓、沖擊和進水等導致電池膨脹、變形和開裂等，這些都會導致電池短路，在放電或充電過程放熱引起爆炸。

鋰離子電池 - 安全性設計

鋰離子電池鋰離子電池為了避免因使用不當造成電池過放電或者過充電，在單體鋰離子電池內設有三重保護機構。一是采用開關元件，當電池內的溫度上升時，它的阻值隨之上升，當溫度過高時，會自動停止供電;二是選擇適當的隔板材料，當溫度上升到一定數值時，隔板上的微米級微孔會自動溶解掉，從而使鋰離子不能通過，電池內部反應停止;三是設置安全閥(就是電池頂部的放氣孔)，電池內部壓力上升到一定數值時，安全閥自動打開，保證電池的使用安全性。

有時，電池本身雖然有安全控制措施，但是因為某些原因造成控制失靈，缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放，電池內壓便會急劇上升而引起爆炸。

一般情況下，鋰離子電池儲存的總能量和其安全性是成反比的，隨著電池容量的增加，電池體積也在增加，其散熱性能變差，出事故的可能性將大幅增加。對于手機用鋰離子電池，基本要求是發生安全事故的概率要小于百萬分之一，這也是社會公眾所能接受的最低標準。而對于大容量鋰離子電池，特別是汽車等用大容量鋰離子電池，采用強制散熱尤為重要。

選擇更安全的電極材料，選擇錳酸鋰材料，在分子結構方面保證了在滿電狀態，正極的鋰離子已經完全嵌入到負極炭孔中，從根本上避免了枝晶的產生。同時錳酸鋰穩固的結構，使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰，分解溫度超過鈷酸鋰100℃，即使由于外力發生內部短路(針刺)，外部短路，過充電時，也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發燃燒、爆炸的危險。

另外，采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。

提高現有安全控制技術的性能，首先要提高鋰離子電池芯的安全性能，這對大容量電池尤為重要。選擇熱關閉性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔離電池正負極的同時，允許鋰離子的通過。當溫度升高時，在隔膜熔化前進行關閉，從而使內阻上升至2000歐姆，讓內部反應停止下來。

當內部壓力或溫度達到預置的標準時，防爆閥將打開，開始進行卸壓，以防止內部氣體積累過多，發生形變，最終導致殼體爆裂。

提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數和采用多個參數的聯合控制(這對于大容量電池尤為重要)。對于大容量鋰離子電池組是串/并聯的多個電芯組成，如筆記本電腦的電壓為10V以上，容量較大，一般采用3～4個單電池串聯就可以滿足電壓要求，然后再將2～3個串聯的電池組并聯，以保證較大的容量。

大容量電池組本身必須設置較為完善的保護功能，還應考慮兩種電路基板模塊:保護電路基板(Protection Board PCB)模塊及Smart Battery Gauge Board模塊。整套的電池保護設計包括：第1級保護IC(防止電池過充、過放、短路)，第2級保護IC(防止第2次過壓)、保險絲、LED指示、溫度調節等部件。

在多級保護機制下，即使是在電源充電器、 筆記本電腦 出現異常的情況下,筆記本電池也只能轉為自動保護狀態，如果情況不嚴重,往往在重新插拔后還能正常工作，不會發生爆炸。

目前，筆記本電腦和手機使用的鋰離子電池所采用的底層技術是不安全的，需要考慮更安全的結構。

總之，隨著材料技術的進步和人們對鋰離子電池設計、制造、檢測和使用諸方面要求的認識不斷加深，未來的鋰離子電池會變得更安全。

鋰離子電池 - 種類

鋰離子電池鋰離子電池的充電器不可充電的鋰電池有多種，目前常用的有鋰-二氧化錳電池、鋰—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。

1鋰-二氧化錳電池(LiMnO2)

鋰-二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，并采用有機電解液的一次性電池。該電池的主要特點是電池電壓高，額定電壓為3V(是一般堿性電池的2倍);終止放電電壓為2V;比能量大(見上面舉的例子);放電電壓穩定可靠;有較好的儲存性能(儲存時間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤2%);工作溫度范圍-20℃～+60℃。

該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長方形、圓柱形及紐扣形(扣式)。

可充電鋰離子電池

可充電鋰離子電池是目前手機中應用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會損壞電池或使之報廢)。因此，在電池上有保護元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。 鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在1%之內，目前各大半導體器件廠已開發出多種鋰離子電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。

現在手機已十分普遍，手機中一部分是鎳氫電池，但靈巧型的手機則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分重要的。鋰離子電池是目前應用最為廣泛的鋰電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，并且有由幾個電池串聯在一起組成的電池組。 鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產品為3.7V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關：陽極材料為石墨的4.2V;陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內阻也不同，焦炭陽極的內阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖1所示。一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池。現在使用的大部分是4.2V的，鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V～2.75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數略有不同)。低于終止放電電壓繼續放電稱為過放，過放對電池會有損害。

鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時會降低放電時間(內部會產生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產工廠給出最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流。 鋰離子電池對溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍。 鋰離子電池對充電的要求是很高的，它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%(例如:充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)，過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應根據電池生產廠的建議，并要求有限流電路以免發生過流(過熱)。一般常用的充電率為0.25C～1C(C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA)。在大電流充電時往往要檢測電池溫度，以防止過熱損壞電池或產生爆炸。

鋰離子電池充電分為兩個階段：先恒流充電，到接近終止電壓時改為恒壓充電，其充電特性如圖2所示。這是一種800mAh容量的電池，其終止充電電壓為4.2V。電池以800mA(充電率為1C)恒流充電，開始時電池電壓以較大的斜率升壓，當電池電壓接近4.2V時，改成4.2V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為1/10C(約80mA)時，認為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到1/10C后啟動定時器，過一定時間后結束充電)。 鋰離子電池在充電或放電過程中若發生過充、過放或過流時，會造成電池的損壞或降低使用壽命。

鋰離子電池 - 優點和缺點

優點

鋰離子電池(Li-ion，Lithium Ion Battery)：鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點，因而得到了普遍應用——現在的許多數碼設備都采用了鋰離子電池作電源，盡管其價格相對來說比較昂貴。鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，而且具有很低的自放電率。此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優點也是它廣泛應用的重要原因。

另外請注意鋰電池外部一般標有英文7.2V lithiumion battery(鋰電池)或7.2V lithium secondary battery(鋰二次電池)、7.2V lithiumion rechargeable battery(充電鋰電池)，所以用戶在購買電池時一定要看清電池塊外表的標志，防止因為沒有看清電池類型而將鎘鎳、氫鎳電池誤認為鋰電池。

無記憶效應大大方便了手機用戶，用戶不必在每次充電時都先放電再充電，而可以隨心所欲的隨時對手機充電。

缺點

鋰電池的缺點是價格昂貴，所以目前尚不能普遍應用，主要應用于掌上計算機、PDA、通信設備、照相機、衛星、導彈、魚雷、儀器等。隨著技術的發展、工藝的改進及生產量的增加，鋰電池的價格將會不斷地下降，應用上也會更普遍。

鋰離子電池 - 注意事項

鋰離子電池應用注意事項除與上述不可充電的鋰電池相同外，在充電方面還應注意以下幾點：

1. 鋰離子電池有4.1V及4.2V終止充電的不同品種，因此在充電時注意的是4.1V的電池不能用4.2V的充電器充電，否則會有過充的危險(4.1V與4.2V的充電器用的充電器IC是不同的!)。

2. 對電池充電時，其環境溫度不能超過產品特性表中所列的溫度范圍。

3. 不能反向充電。

4. 不能用充鎳鎘電池的充電器(充三節鎳鎘電池的)來充鋰離子電池(雖然額定電壓一樣，都是3.6V)，但充電方式不同，容易造成過充。

在放電方面應注意以下幾點：

1. 鋰離子電池放電電流不能超過產品特性表中給出最大放電電流。放電電流較大時，會產生較高的溫度(損耗能量)，減少放電時間，若電池中無保護元件會產生過熱而損壞電池。

2. 不同溫度下放電曲線是不同的，如圖5所示。從圖中可以看出，在不同的溫度下，其放電電壓及放電時間也不同。在-20℃放電時情況最差。

在貯存方面：

1. 電池若長期貯存，要保持在50%放電態。

2. 電池應保存在低溫、干燥壞境中。

3. 要遠離熱源，也不要置于陽光直射的地方。

鋰離子電池 - 電池的使用

新電池的激活

鋰離子電池出廠前，廠家都進行了激活處理，并進行了預充電，因此鋰離子電池均有余電，不用激活，鋰離子電池按照調整期時間充電，這種調整期需進行3~5次完全充放電。[3]

新電池的充電

在使用鋰電池中應注意的是，電池放置一段時間后則進入休眠狀態，此時容量低于正常值，使用時間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活，只要經過3—5次正常的充放電循環就可激活電池，恢復正常容量。由于鋰電池本身的特性，決定了它幾乎沒有記憶效應。因此用戶手機中的新鋰電池在激活過程中，是不需要特別的方法和設備的。不僅理論上是如此，從我自己的實踐來看，從一開始就采用標準方法充電這種“自然激活”方式是最好的。

對于鋰電池的“激活”問題，眾多的說法是：充電時間一定要超過12小時，反復做三次，以便激活電池。這種“前三次充電要充12小時以上”的說法，明顯是從鎳電池(如鎳鎘和鎳氫)延續下來的說法。所以這種說法，可以說一開始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區別，而且可以非常明確的告訴大家，我所查閱過的所有嚴肅的正式技術資料都強調過充和過放電會對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標準時間和標準方法充電，特別是不要進行超過12個小時的超長充電。

此外，鋰電池或充電器在電池充滿后都會自動停充，并不存在鎳電充電器所謂的持續10幾小時的“涓流”充電。也就是說，如果你的鋰電池在充滿后，放在充電器上也是白充。而我們誰都無法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質量的萬無一失，所以你的電池將長期處在危險的邊緣徘徊。這也是我們反對長充電的另一個理由。

此外，不可忽視的另外一個方面就是鋰電池同樣也不適合過放電，過放電對鋰電池同樣也很不利。

正常使用中電池的充電

經?？梢砸姷竭@種說法，因為充放電的次數是有限的，所以應該將手機電池的電盡可能用光再充電。但是我找到一個關于鋰離子電池充放電循環的實驗表，關于循環壽命的數據列出如下：

循環壽命(10%DOD)：>1000次

循環壽命(100%DOD)：>200次

其中DOD是放電深度的英文縮寫。從表中可見，可充電次數和放電深度有關，10%DOD時的循環壽命要比100%DOD的要長很多。當然如果折合到實際充電的相對總容量：10%*1000=100，100%*200=200，后者的完全充放電還是要比較好一些，但前面網友的那個說法要做一些修正：在正常情況下，你應該有保留地按照電池剩余電量用完再充的原則充電，但假如你的電池在你預計第2天不可能堅持整個白天的時候，就應該及時開始充電，當然你如果愿意背著充電器到辦公室又當別論。

電池剩余電量用完再充的原則并不是要你走向極端。和長充電一樣流傳甚廣的一個說法，就是“盡量把電池的電量用完”。這種做法其實只是鎳電池上的做法，目的是避免記憶效應發生，不幸的是它也在鋰電池上流傳之今。曾經有人因為手機電池電量過低的警告出現后，仍然不充電繼續使用一直用到自動關機的例子。結果這個例子中的手機在后來的充電及開機中均無反應，不得不送客服檢修。這其實就是由于電池因過度放電而導致電壓過低，以至于不具備正常的充電和開機條件造成的。

個人建議手機電池的電量保持在滿格的狀態，當電量不滿的時候就開始充電，2-3小時以內為宜。鋰離子電池按電解液分可以分成液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池，聚合物鋰離子電池的電解液是膠體，不會流動，所以不存在泄漏問題，更加安全。

鋰離子電池不要充得太滿也不要用到沒電。電池沒用完充電不會對電池造成傷害

鋰離子電池 - 保存方法

鋰原電池自放電很低，可保存3年之久，在冷藏的條件下保存，效果會更好。將鋰原電池存放在低溫的地方，不失是一個好方法。鋰離子電池在20℃下可儲存半年以上，這是由于它的自放電率很低，而且大部分容量可以恢復。

鋰電池存在的自放電現象，如果電池電壓在3.6V以下長時間保存，會導致電池過放電而破壞電池內部結構，減少電池壽命。因此長期保存的鋰電池應當每3~6個月補電一次，即充電到電壓為3.8~3.9V(鋰電池最佳儲存電壓為3.85V左右)為宜，不宜充滿。

鋰電池的應用溫度范圍很廣，在北方的冬天室外，仍然可以使用，但容量會降低很多，如果回到室溫的條件下，容量又可以恢復。

注意事項：

鋰原電池：與鋰離子電池不同，它不能充電，充電十分危險。其他注意事項，與鋰離子電池相當。

鋰離子電池 - 保養須知

充電時不得高于最大充電電壓，放電時不得低于最小工作電壓。

無論任何時間鋰離子電池都必須保持最小工作電壓以上， 低電壓的過放或自放電反應會導致鋰離子活性物質分解破壞，并不一定可以還原。

鋰離子電池任何形式的過充都會導致電池性能受到嚴重破壞，甚至爆炸。鋰離子電池在充電過程必需避免對電池產生過充。

不要經常深放電、深充電。不過，每經歷約30個充電周期后，電量檢測芯片會自動執行一次深放電、深充電，以準確評估電池的狀態。

避免高溫，輕則縮短壽命，嚴重者可引發爆炸。如有條件可儲存于冰箱。筆記本電腦如果正在使用交流電，請拔除鋰離子電池條，以免受到電腦產熱的影響。

避免凍結，但多數鋰離子電池電解質溶液的冰點在-40℃，不容易凍結。

如果長期不用，請以40%～60%的充電量儲存。電量過低時，可能因自放電導致過放。

由于鋰離子電池不使用時也會自然衰老，因此，購買時應根據實際需要量選購，不宜過多購入。

本文到此結束，希望對大家有所幫助。