锂离子电池是怎么工作的？工作原理图解

我们日常使用的手机和笔记本电池其实是锂离子电池，锂系电池分为锂电池和锂离子电池，但大家俗称为锂电池。真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。今天用图片的方式详解锂电池工作原理和结构，让大家全方位的了解锂电池。

一、锂电池结构示意图

了解锂电池工作原理之前，先大概了解下锂电池的组成部分，如下示意图：

锂离子电池电池组成部分如下：

(1)正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂(俗称三元)或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。

(2)隔膜——种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。

(3)负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。

(4)有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。

(5)电池外壳——分为钢壳(方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。

二、锂电池工作原理图解

下面从锂电池充电过程、放电过程和电池保护板三大部分给大家介绍其工作原理：

1、锂电池充电过程

电池的正极由锂离子生成，生成的锂离子从正极“跳进”电解液里，通过电解液“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，运动到负极，与早就通过外部电路跑到负极的电子结合在一起。

●正极上发生的反应为：LiCoO2==充电==Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)

●负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe=====LixC6

在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在负极形成LiC化合物。

2、锂电池放电过程

放电时电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路径不同，电子从负极通过外部电路跑到正极;锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

3、电池保护板

顾名思义，电池保护板主要是针对可充电电池(一般指锂电池)起保护作用的集成电路板。锂电池(可充型)之所以需要保护，是由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池总会有保护板和一片电流保险器出现。

下图为电池板保护电路。PTC：正温度系数热敏电阻;NTC：负温度系数热敏电阻，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充电设备能够及时反应，控制内部中断而停止充放电;U1为电路保护芯片，U2为两个反接的MOSFET开关。

正常状态下电池板U1的CO和DO都输出高电压，两个MOSFET都处于打开状态，电池可以自由充放电。

截止2022年9月份，我国新能源汽车渗透率已经达到了30%;越来越多的普通家庭开始驾驶上绿牌新能源汽车;其中绝大多数汽车使用的为锂离子动力电池。锂离子电池与其他大多数原电池一样，分为正极和负极及中间隔膜层，在充放电过程中，通过带正电荷的金属离子和电子的移动，达到对外充电和放电的过程，也称为摇椅式电池。

工作原理

锂电池主要分为正极、负极和中间隔膜;

目前主流正极材料为磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂等材料，以上均为含锂离子的化合物，这也是为什么称为锂离子电池的原因

负极材料分为碳材料和非碳材料;目前我国主要还是使用石墨作为负极材料使用。

在充放电时，带正电的锂离子在正负极定向移动，同时在外电路中带负电的电子也朝着同一方向移动，即形成了我们所能看到的充放电过程。如下图所示。

充电过程

在充电时，外电路电源给电池正极充电，此时正极上的电子e 通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为：

LiMO2→Li(1-x)MO2+ xLi++xe-(电子)

负极上发生的反应为：

6C+xLi++xe-(电子)→ LixC6

具体如下动图所示

在未充电情况下，锂离子是嵌套在正极材料的层间结构当中

在充电过程中，锂离子会从正极的层间结构中脱嵌出来，

锂离子从正极中脱嵌出来后，通过SEI膜和隔膜，进入到负极石墨中进行镶嵌

锂离子在充电的过程中一直重复这个过程，直至充电完成

放电过程

放电过程与充电过程相反，如果外电路电势比电池电势低，电池就会对外进行放电，其中电子还是通过外电路回到正极材料中，镶嵌在石墨中的锂离子则会从石墨中跳脱出来，穿过隔膜回到正极材料中;具体反应如下：

正极上发生的反应为：

Li(1-x)MO2+ xLi++xe-(电子)→LiMO2

负极上发生的反应为：

LixC6 → 6C+xLi++xe-

放电过程，负极的电子会通过外电路到达正极，

同时镶嵌在负极中的锂离子也会脱嵌出来，通过隔膜回到正极材料当中。

从大类上分，电动汽车的电池有两大类，蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车，包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池。其中，铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池出现的时间比较早，也是已经被普遍淘汰的电池种类，而如今主流的纯电动车基本上都是采用的锂电池，主要包括钴酸锂电池，如特斯拉产品;锰酸锂电池，如丰田普锐斯、日产聆风;磷酸铁锂电池，如比亚迪产品、之诺1E等。

铅酸电池是最为常用的一种新能源汽车电池。铅酸电池的极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸，两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后，正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅，负极处硫酸铅转变成金属铅。放电时，则发生反方向的化学反应。铅酸电池的优点是放电时电动势较稳定，缺点是比能量小，对环境腐蚀性强。

镍氢电池在混合新能源车上有着广泛的应用，其有着较大的能量密度比，可以有效延长车辆的行驶时间;而且，镍氢电池放电特性平稳妥、放电曲线平滑，发热量小，但体积偏大，有污染。

锂离子电池相比铅酸电池、镍氢电池等有着工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等优势，因此，越来越多的汽车厂家选择采用锂离子电池作为纯电动车的动力电池。

锂离子电池中最常用的有三种，分别是钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池。钴酸锂电池效率高，放电电流大，充电速度高，重量轻;但缺点就是稳定性相对较差一些，这也是为何这种电池技术很难制造大容量的电池单元的原因。而锰酸锂电池成本略低，而且不像钴酸锂那样激进，低温性能较好，更适合寒冷地区使用，但是高温稳定性不够出色，容易鼓胀，而用循环寿命衰减较快。

磷酸铁锂电池被称为最安全的车用电池技术，这是因为相比较于钴酸锂电池和锰酸锂电池，磷酸铁锂电池的稳定性，特别是高温状态下的稳定性要安定的多，遇到意外情况时发生火灾等意外状况的几率也更小。但是磷酸铁锂电池的效率不如前述两种电池技术，存储同样能量所需要的重量大约是钴酸锂电池的两倍，也就难怪为什么这项新型电池技术难以成为高性能电动跑车的选择了。

根据现在市场上所用的电动车电池类型大致可以分为：铅酸电池，锂离子电池，镍氢电池，不过现在大量投入电动车领域的还是密闭性铅酸胶体电池，锂电池也由于它的体积小、较长的寿命以及灵活的充电方法也被广大用户看好，只是高昂的售价让很多客户敬而远之。

铅酸蓄电池的价格最低，安全性好，也最常用，中国是全世界铅酸蓄电池最大的生产国。其含污染的成分比较少，可回收性好。缺点是比容小。也就是说，在同样的容量下，电池重量和体积都大。胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。广义而言，胶体电池与常规铅酸电池的区别不仅仅在于电液改为胶凝状。例如非凝固态的水性胶体，从电化学分类结构和特性看同属胶体电池。

锂离子电池的比容要好于镍氢电池，对于同样容量的铅酸蓄电池来说，锂离子电池的重量相当于一台笔记本电脑，这样老弱妇孺就都可以使用了。但是，存在爆炸和燃烧的可能性，这是与锂离子电池需要解决的问题。