科普篇丨锂电池工作原理（动图）

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。

锂电池工作原理和结构图解，看完你就是专家！

从上世纪90年代开始，锂电池开始进入市场，逐渐成为电器和IT终端设备的动力选择。更小的体积、更稳定的性能、更好的循环性，使锂电池逐渐遍布人们日常生活的各个方面，助力人类向清洁世界迈出重要一步。相较于以化石燃料为基础的传统能源供给方式，锂电池的出现打破了以往的碳基供能方式，减少了碳排放量，为可持续发展提供了新路径。

我们俗称的锂电池其实分为锂金属电池和锂离子电池两种。

1、锂金属电池

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电反应原理为：Li+MnO2=LiMnO2。

2、锂离子电池

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。充电正极上发生的反应为：LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-(电子)；充电负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe- = LixC6；充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6。

今天来详解一下锂电池工作原理和结构，让大家全方位的了解锂电池。

锂电池结构示意图

了解锂电池工作原理之前，我们先大概了解下锂电池的组成部分，如下示意图：

（1）正极 —— 活性物质一般是钴酸锂或者锰酸锂，镍钴锰酸锂等材料，电动车则普遍是用镍钴锰酸锂（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、性能不好或成本过高而逐渐淡出视野，导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。

（2）隔膜 —— 一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。

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。