锂电池基础知识

采用含有锂元素的材料作为电极的电池。它是现代高性能电池的代表。今天发一些锂电池的基础知识，各们朋友想了解那方面可以留言！锂电老兵马工整理后再发出分享给大家！

名词简介

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

锂离子电池容易与下面两种电池混淆：

（1）锂电池：存在锂单质。

（2）锂离子聚合物电池：用多聚物取代液态有机溶剂。

组成部分

钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列：

（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，现在又出现了镍钴锰酸锂材料，电动自行车则用磷酸铁锂，导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。

（2）隔膜——一种特殊的复合膜，可以让离子通过，但却是电子的绝缘体。

（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（现在方型很少使用）、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。

作用机理

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。

工作状态和效率

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，好的电池，每月在2%以下（可恢复）。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。

充电

充电是电池重复使用的重要步骤，锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到设定的值，而最终完成充电。电量统计芯片通过记录放电曲线可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次使用后，放电曲线会发生改变，锂离子电池虽然不存在记忆效应，但是充、放电不当会严重影响电池性能。

充电注意事项

锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

充电量等于充电电流乘以充电时间，在充电控制电压一定的情况下，充电电流越大（充电速度越快），充电电量越小。电池充电速度过快和终止电压控制点不当，同样会造成电池容量不足，实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电，这种充电不足的现象随着循环次数的增加而加剧。

放电

第一次充放电，如果时间能较长(一般3至4小时足够)，那么可以使电极尽可能多的达到最高氧化态（充足电），放电（或使用）时则强制放到规定的电压、或直至自动关机，如此能激活电池使用容量。

但在锂离子电池的平常使用中，不需要如此操作，可以随时根据需要充电，充电时既不必要一定充满电为止，也不需要先放电。像首次充放电那样的操作，只需要每隔3至4个月进行连续的1至2次即可。

化学解析

概述：和所有化学电池一样，锂离子电池也由三个部分组成：正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。

正极：正极材料，如上文所述，可选的正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+xe放电时：Li1-xFePO4+xLi+xe→LiFePO4

负极：负极材料，多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。

负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。充电时：xLi+xe+6C→LixC6放电时：LixC6→xLi+xe+6C

电解质溶液

溶质：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜(solidelectrolyteinterphase，SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

主要优点

（1）电压高：单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍。

（2）比能量大：目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3至4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。

（3）循环寿命长：一般均可达到500次以上,甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。

（4）安全性能好：无公害,无记忆效应。作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。

（5）自放电小：室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。

（6）可快速充放电：1C充电30分钟容量可以达到标称容量的50%以上，放电可以提供支持大电流3C/5C 高倍率放电。

（7）工作温度范围高，工作温度为-25~45°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。

锂电池为什么空载电压正常，一带负载就没有电流，能修复吗？

所谓有电压而无电流，只是外行人一种形象生动的理解，本质上是电池的内阻大到一定程度，几乎接近开路状态了，容量几乎为零。如果把电池看做一个电压源，内阻非常大，带负载的时候几乎不会有电流（电流非常小），而用万用表电压档测量，万用表的内阻也是非常大的，虽然回路电流非常之小，所以依然可以产生分压，这时候万用表上会有电压值显示而已，请关注：容济点火器

任何电池都有寿命，到达寿命是无法修理的

不管是什么形式的电池，都会有使用寿命的，寿命到了，就好比人和生物要死亡一个道理，是无法修复的，这时候电池内阻非常大，已经没有任何维修价值了，等待着的就是回收利用了，或者直接报废。三元锂电池的充放电周期是500-1000次，铁锂的可以达到2000次，只要达到了使用次数，电池就达到了它的使用寿命，没有任何修复价值。

锂电池，是通过锂离子反复穿梭正负极之间来实现充放电运行的，充电时候，锂离子会从正极板脱离出来，通过电解液“游”到负极，放电时候，再反过来运动，电流大小取决于锂离子的运动速度。如果电解液漏掉了，或者干枯了，好比河里边没有水了，鱼儿也游不动这个道理，锂离子的穿梭速度会大幅度下降，这时候相当于锂电池的充放电速度严重下降，电流非常小。锂电池是无法像铅酸电池那样自己添加电解液的，至少目前是这样。

随着充放电次数的增加，锂离子运动的通道里边，会因为产生的废渣越来越多，有点类似人的血管上了一定年龄有什么胆固醇之类的引起的堵塞了，这样会让离子运动的速度越来越慢，容量会整体下降，像动力电池这些，一般容量下降到额定容量值的80%就不能继续使用了。

外围或者保护电路问题还可以处理

在锂电池的接头地方，正常是一些导电性能非常好的金属，因为和空气接触，或者实际使用时候碰到了一些酸碱之类的东西，不排除会造成腐蚀以及氧化，形成了一些白色的氧化物等，这些物质导电性能非常差，直接会在这里形成了很大的电阻，这样也会产生有电压而无电流的表象了。这时候可以清洁或者更换掉这些接头或者电极，让接触电极变小，锂电池就可以继续使用了。

锂电池因为单体电压和电流小，往往需要很多个来并联串联组成一个单元，如果整个单元的容量下降，可能是某个单体落后造成的，或者是组装时候某个地方焊接不好造成接触不良，这时候找出并处理好对应的单体就可以解决问题了。

锂电池不同铅酸电池，因为比较娇嫩，往往需要保护板之类，保护板如果坏了，当然也会引起容量下降的错误判断，这时候更换保护板就好了。

还有一种情况是电池放了很长一段时间，电压非常低，以至于保护板都无法正常工作，这时候如果去掉保护板，单独给电池充一会电，让电压上来了，再装了保护板上去，电池还是可以继续工作的。

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