锂电池发展

早期的锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来，锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。

锂电池发展过程

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锂电池构成

锂离子电池主要由正极，电解液，隔膜，负极、阴极、阳极组成。正、负极电极材料须是电子和离子的混合导体，隔膜是电子绝缘且导离子的微孔膜，电解质须是离子导体。

正极：电势较高的电极

负极：电势较低的电极

阳极：反生氧化反应的电极（化合价升高，失去电子）

阴极：发生还愿反应的电极（化合价降低，得到电子）

人们习惯用放电过程中的阴阳极代表正负极，在锂电池中，一般认为正极为阴极，负极为阳极。

锂电池原理结构

不同形状锂离子电池的构成示意图a圆柱型；b纽扣型；c棱柱型；d薄膜平板型

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锂电池材料

阴极：采用能吸藏锂离子的碳极，放电时，锂变成锂离子，脱离电池阳极，到达锂离子电池阴极。

阳极：材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物。

电解质：采用LiPF6的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂和低粘度二乙基碳酸脂等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。

隔膜：采用聚烯微多孔膜如PE、PP 或它们复合膜，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，起到了热保险作用。

外壳：采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。

不同阳极材料性能

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锂电池工作原理

锂电池实质上是一种具有浓度差的电池，正负极材料具有不一样的电化学电势，中间被隔膜隔开，Li+从化学电势较高的插层材料电极向电势较低的电极移动，只有锂离子可以通过隔膜在电解液中移动，电荷补偿电子只能通过外电路移动，从形成电流以供输出使用。

放电过程：充满电的锂电池，锂离子嵌入在阳极材料上，阳极（负极）碳呈层状结构，有很多微孔，锂离子就嵌入在碳层的微孔中。放电时，Li+通过隔膜从阳极移动到阴极，电子无法通过隔膜，只能通过外面电路的负极移动到正极。（电子带负电，电子方向是负极到正极，电流方向就是正极到负极。）

放电过程

充电过程：当对电池进行充电时，电池的阴极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到阳极。而作为阳极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达阳极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

充电过程

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一文读懂 | 锂电池工作原理和结构图解

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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。

锂电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止。

涓流充电：当锂电池过度放电时，电池的电压会降低至2.2V左右，此时电池无法正常工作。为了恢复电池容量，需要采用涓流充电的方式进行预充。涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一，也就是0.1C（以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA）。
恒流充电：当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高，一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V。
恒压充电：当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。这个阶段电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

总的来说，锂电池的充电过程需要特定的充电电流和充电电压，才能保证电池安全充电。在充电过程中，电池的电压和电流都会逐渐上升，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

一、锂电池结构示意

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，

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。

过充电保护：当U1检测到电池电压达到过充保护门限，CO管脚输出低电平，MOS管开关2由导通转为关闭，充电回路关断，充电器无法再对电池充电，从而实现过充保护。

过放电保护：在电池放电过程中，当U1检测到电池电压低于过放保护门限时，DO脚由高电平转变为低电平，MOS管开关1关闭，使电池无法再放电；过放电保护状态下电池电压不能再降低，要求保护电路的电流极小，控制电路进入低功耗。过流保护：正常情况下，电池对负载进行放电，电流经过两个串联的MOS管开关，VM管脚检测到两个MOS管的压降电压为U。若负载因某种原因导致U异常，使回路电流增大，当U大于一定值时，DO管脚由高电压转变为低电压，MOS管开关1关闭，从而使放电回路电流为零，达到过电流保护作用。

今天主要跟大家分享锂电池工作原理和结构，后面会陆续给大家分享温度对电池寿命的影响，锂电池为何会老化等小知识。

锂电池原理【基础】

一文读懂 | 锂电池工作原理和结构图解

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