锂电池沸腾 锂电池是如何充放电的？

锂电池是如何充放电的？

锂电池作为可充电池，可以重复多次使用。它的应用非常广泛，如我们日常生活中的手机内部电池、充电宝、电动车电池等。

那么，锂电池地如何充放电的呢？在回答这个问题之前，我们有必要先了解锂电池的结构以及锂的一些特性。

锂电池只要由三部分组成，如下图1-1所示，分别涂覆石墨的铜箔、涂覆锂化合物的铝箔和含有锂的有机盐的电解质。而锂电池的充放电其实就是锂离子与自由电子的往复移动。

图1-1

不同金属有不同的电化学势，所谓电化学势，简单来说，就是金属失去电子的趋势，如下图1-2所示给出的一些常见金属的电化学势，其中最容易失去电子的锂被用于锂离子电池。

显然，锂失去电子的倾向最高，而氟失去电子的倾向最小。这是因为锂的最外层只有一个电子，非常容易失去；而氟最外层有8个电子，非常稳定（原子的最外层最多只能有8个电子，1个时最活跃，8个时最稳定）。

图1-2

纯锂是一种高活性金属，放到水里直接沸腾，但锂的金属氧化物非常稳定，若我们以某种方式从这种金属氧化物中分离出一个锂原子，这个锂原子极不稳定，会瞬间形成一个锂离子和一个电子，如下图1-3所示。

图1-3

然而，正如上文所说，锂作为金属氧化物的一部分，处于金属氧化物中比处于这种锂原子游离的状态要稳定得多。所以，如果能为锂和金属氧化物之间的电子和锂离子流动提供两条不同的路径，锂原子会自动跑到金属氧化物部分，这个电子的路径就是外电路。

换言之，就像人一样，相对于漂泊不定的日子，我们都喜欢稳定的生活，锂也是同理，若能够依附其金属氧化物达到一种稳定的状态，它必是不喜欢以锂离子和电子的状态存在的。所以我们用电场力把锂从金属氧化物中提出来，然后又给它的离子和电子提供不同路径（撤去外电场），如下图1-4所示，它就会顺势回到氧化物中。

图1-4

实际的锂离子电池含有电解质和石墨，如下图1-5所示。其中石墨具有层状结构，因此分离的锂离子可以很容易地储存在那里。石墨和金属氧化物之间的电解质起到保护作用，它只允许锂离子通过，不允许电子通过。

图1-5

当外加电源（电场）时，由于异性相吸，电源的正极显然会从金属氧化物的锂原子中吸引电子，并推动这些电子沿外部电路流通，并到达石墨层。注意，这些电子不能流过电解质。

同时，带正电的锂离子也会被吸引到负极，并流过电解质，到达石墨层。此时石墨层就含有大量的锂离子和电子。其中这些离子和电子就是锂原子，但因为锂原子不稳定，所以就以锂离子和电子的形式存在。

一旦金属氧化物中的所有锂原子到达石墨层，电池就充满电。

此时，锂原子的不稳定状态就像山顶的小球一样，一旦移除电源，并连接负载，锂原子就会作为金属氧化物的一部分恢复到稳定状态。由于这种想要趋于稳定的趋势，电子锂通过负载回到氧化物，而锂离子穿过电解质回到氧化物，就像小球从山顶滑下来一样，最后锂离子和电子结合形成锂原子固定在其金属氧化物中。

图1-7

整个过程如图1-7所示，注意，石墨在锂离子电池的化学反应中没有发挥作用，它只是锂离子的存储介质。

如果由于某些异常情况导致电池内部温度升高，电解质干涸，此时锂离子和电子全部沿同一路径跑向氧化物，相当于阳极和阴极之间发生短路，这可能会导致火灾或爆炸。

为了避免以上这种情况，在电极之间放置了一层绝缘层，如下图1-8所示，称为隔板。由于其微孔，隔膜可渗透锂离子，但电子不能通过.

图1-8

在实际锂电池中，石墨和金属氧化物分别涂覆在铜箔和铝箔上，箔在这里充当集电器，并且可以很容易地从集电极中取出正极片和负极片，如下图1-9所示。其中铜箔引出负极，铝箔引出正极。

图1-9

锂的有机盐用作电解质，并将其涂覆在隔板片上，所有这三块板都围绕一个中央钢芯缠绕在圆柱体上，从而使锂电池更加紧凑。标准锂离子电池的电压在3-4.2伏之间。

以上就是锂离子电池的工作原理，显然，它的充放电过程其实就是锂离子和电子的往复运动过程，充电时，给电池施加电源，让锂离子和电子沿不同路径跑到石墨层，此时锂原子很不稳定；而放电就是给 电池施加负载，让锂离子和电子沿之前路径跑到金属氧化物侧，此时锂原子作为金属氧化物的一部分比较稳定。

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锂电池为什么会起火？

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我们经常看到一些由锂电池引起的安全事故，给人印象最深刻的莫过于锂电池产生的爆炸、起火。一台带有50度电的电动车如果完全失控起火，释放出的能量高达1.8亿焦耳，相当于43公斤TNT炸药释放的能量。锂电池为什么会动不动就起火自燃？

锂电池起火自燃的直接诱因是电池的热失控，所谓热失控，是指电池受各种刺激引发了内部短路，导致电池内部温度升高上千度，易燃的电解液沸腾、喷出，接触空气后就会燃烧。

目前，电池内短路主要有三种诱因，机械失控、电化学失控以及温度失控。

在机械失控中，最常见的就是电池受挤压或者针刺发生破损，这会导致电池隔膜被刺穿，正负极板直接连通造成内部短路，放出巨大的热量。

最典型的例子就是近日深圳市发生的一起电动货车追尾校车事故，追尾导致货车的电池包被过度挤压，发生大面积内短路，最终货车被烧成了空壳。

如果电池布局不合理，长时间使用后也会出现问题，当年使用三星SDI锂电池的NOTE7，因为留给电池的空间太小，外部负极板遭到挤压变形出现短路，最终使得NOTE7发生了多起自燃事故。

电化学失控的原因有很多，电池质量不好就是一个重要诱因。还是这台NOTE7，当SDI锂电池出问题后，把产能都压到ATL锂电池上。急速地提升产能，导致这批电池的质量下降，电池内部负极铜板上粘附的碎屑和毛刺含量超标，在电池充放电过程中，大量铜金属的碎屑和毛刺混进电解液中，极易把隔膜戳穿，造成内部短路。

而在电动车上，过度充电和大电流快充就是诱发电化学失控的“罪魁祸首”。

当电动车使用了不合规的充电桩，充电桩有可能会输出锂电池无法承受的大电流，在电池内部，充电速度太快，会让锂离子在负极的表面形成像树枝一样的枝晶，这些枝晶像针尖一样又细又硬，当枝晶生长到一定的长度，就会戳破隔膜诱发内短路。

不仅如此，充电桩不合规还有可能过度充电，当电池满电后继续充电，电池负极就会塞进更多的锂离子，当超过负极的最大承受能力时，就会出现坍塌，轻则造成电池鼓包，重则导致内部发生短路。近期在东莞发生的一起电动车起火事件，很有可能与过充和快充都有关系。

而要说到温度失控，主要原因就是锂电池非常怕热，当锂电池在高温下进行充放电时，正负极片会和电解液发生额外的反应，放出氧气和额外的热量。多重热量的冲击，很容易造成隔膜的熔解，进而出现大面积短路。现在已经是夏季，很多电动车在烈日暴晒下充电，如果本身散热不给力，很容易导致电池发生热失控起火。

电池爆燃非常危险，严重时甚至会威胁生命，因此汽车和手机厂家也想出了很多办法来保护电池。

在手机这类3C电池领域，自从NOTE7发生爆炸后，使用的锂电池基本都从锂离子电池转向了锂离子聚合物电池，将之前锂电池中易燃的液态电解液换成了凝胶状的电解液，更换之后即便是电池被戳破，最多就是鼓包，也不会发生爆燃。

而在电动车上面，由于凝胶状的动力电池暂时达不到装车要求，只能想办法尽可能的保护好电池。

锂电池怕被戳、被挤，那么在电池包的外部就加上了防撞材料，底部抹上了防刮涂层。

锂电池怕快充和过充，那就做好电池管理系统，实时控制充放电的电流，监控每一节电池的健康。

锂电池还怕热，那就为锂电池做一套液冷系统，保证夏天也不会过热。

在最新的国家标准中，电动车锂电池发生热失控后，要做到5分钟内不起火、不爆炸。如果你乘坐的电动车不幸起火了，迅速捂住口鼻，想办法抓紧下车，并离开电动车超过15m以上，不要企图去灭火，你才有机会在电池起火后绝地求生。

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