简述锂离子电池基本工作原理和结构

2021-02-23      2182 次浏览

电池的基本原理:正极发生还原反应,得电子;负极发生氧化反应,失电子。电子经过负载,由负极流向正极,形成方向从正极到负极的电流。


1个(+1)价锂离子<------(1-x)个(+1/(1-x))价锂离子+x个(+1)价锂离子+x个电子


令x=0.5,得:


1个(+1)价锂离子<------0.5个(+2)价锂离子+0.5个(+1)价锂离子+0.5个电子


两边乘以2,得:


2个(+1)价锂离子<------1个(+2)价锂离子+1个(+1)价锂离子+1个电子


再简化:


1个(+1)价锂离子<------1个(+2)价锂离子+1个电子


这个公式其实是描述整体反应,而不是描述单个个体反应的。用简单的话来说就是:


正极的(+1/(1-x))价(其中,0


负极的锂原子失去电子,被氧化为(+1)价锂离子,电子从负极流入负载回路,锂离子通过电解质流向正极;


又回到电池基本原理了吧。正极的核心是(+1/(1-x))价锂离子,负极核心是锂原子,两者反应生成(+1)价锂原子,氧化还原反应中的电子流动形成电流。


在现实中制作电池时,总要物质来承载正极的锂离子和负极的锂原子,就好像货物总是要货架的。那么锂离子的货架就是钴酸根离子,与锂离子共同构成正极;负极的锂原子则由带孔石墨等材料构成,不至于反应后,把负极反应没了。正极和负极之间是电解质和隔膜,既用于锂离子流动,也用于隔离正负极,防止内部短路。


为何要讲锂离子电池的基本工作原理和结构?后面谈锂离子电池充电、放电截至电压和过充、过放的危害时会用到。


锂离子电池特性


用户最关心的锂离子电池的特性是电容量,比如常说的2000mAh,指的是在锂离子电池在正常工作情况下所能放出的电荷数。我们看一份锂离子电池的规格说明书:


这块电池比较重要的几个参数:


容量:2500mAh


充电截止电压:4.2V


放电截止电压:2.5V


最大充电电流:4000mA


最大放电电流:20000mA


总之都是围绕电池容量和充放电来考虑的。电池容量取决于负极能放出多少电子以及正极能吸收多少电子。


为何会有充电截止电压呢,换句话来说,过压充电后会有什么问题?在前面描述锂离子电池结构时提到,负极是由石墨和锂原子组成的,其实锂并不是以原子形态存在的,而是以锂离子形态和石墨共存的。过压充电后,锂离子会析出为晶体状锂,无法参与充放电,导致电池容量减少。


为何会有放电截至电压呢,换句话说,放电过度后会有什么问题?过度放电后,负极中的锂离子大量流向正极,导致石墨空虚,部分区域发生坍塌,无法再存放锂离子,也会导致电池容量减少。


具体到一个锂离子电池,它的容量在不同放电电流和温度下也是不同的,且随充放电周期数增多而减少。


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