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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电池是如何放电？锂离子电池又具有什么优势？带你了解电池原理

现代生活中我们时时刻刻都离不开电了，电每时每刻都在为我们服务着。基本上我们用的所有的电都是来自发电厂的电，家里的大型家电由于不会经常移动，因此，都是插着插座，随时可以使用，当我们需要使用经常拿动的电子产品时，不能时时刻刻插着插座，因此需要使用电池来为我们提供电力，关于电池你是否有很多疑问？那么我们就来详细了解。

伏特电堆的发现

在1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水中，发现连接两块金属的导线中有电流通过，于是，他把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片叠起来，用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。它成为早期电学实验以及电报机的电力来源。

伏特与他的“伏特电堆”

伏特电堆

于是，电池就被这样给发明了，经过几百年的发展，电池从以前的“伏特电堆”到现在的干电池、二次电池。电池的效率越来越高，能量也越来越高，因此充满电能使用的时间也越来越长。那么这些电池的电是怎么来的？我们来讲解它的具体工作原理。

电池的工作原理

在了解电池之前，我们先来了解一下金属。

金属在我们生活中非常常见，比如铁、铜、铝等等，金属有一个性质，就是非常容易被氧化，因此，它的化学性质非常活泼。我们以锂金属为例。锂原子质子数为3，因此，锂原子中也就含有3个电子。

锂原子结构

电子在核外的排布是有一定规律的，第一层只能排两个，因此第二层只有一个。由于最外层的电子只有一个，因此这个电子很容易不稳定，容易失去。我们知道电流的产生就是电流的定向流动，失去的这个电子如果通过导线流到另外一个电极，那不就能能够产生电流，锂离子电池正是运用这个原理。

我们把电池称为化学电源， 它是一个能量转换的装置，放电时，电池是将化学能转变为电能；充电时则是将电能转变成化学能储存起来。当电池的正、负极用电子导体连接上并加上负载时，电流就会在负载上通过。只要正负极参加反应的物质不断进行反应，则电池不断有电流输出，直到反应物质反应完毕为止。

原电池模型

我们以上面这个最简单的电池模型进行分析，电池的活性物质是铜和锌，在空间上是分隔开的，当电路是断开的时候 ，锌电极和铜电极分别与硫酸锌溶液、硫酸铜溶液相接触。当锌电极与电解质ZnSO4接触时，金属锌会自发的失去两个电子，于是变成锌离子进入溶液中，锌电极上的Zn2+离子进入溶液后，将电子留在金属上，使锌带负电荷。带负电后，它将吸引溶液中的正电荷，在锌棒和溶液之间产生电位差，这个电位差阻止Zn2+继续转入溶液，同时促使Zn2+返回锌极，于是形成这样一个动态平衡。但总体上，锌电极是带负电的。

负极反应

同样的在铜电极，铜离子很容易得到电子，得到的电子正是从铜电极中获得，因此铜这个电极会带上正电，并且也存在动态平衡。

正极反应

锌电极带负电，铜电极带正电，因此在它们之间就会形成电势差，也就形成了电压，于是锌电极这边的电子就会流向铜电极，于是就产生了电流，有电子的流动后，两边的平衡状态就会受到破坏，于是锌会不断失去电子而电离，铜离子会不断得到电子。于是就有源源不断的电流。一个电池就形成了。

当电池进行充电时，则整个过程相反。锂电池的原理和这个近似，只是失去电子的是锂金属，那么，现代社会我们为什么又用到锂电池，却不同铝电池或者铁电池呢？这些金属不是更加容易得到吗，成本也就更加低。其实，主要是锂电池相对于其它金属制成的电池具有很多独特的优势。

锂离子电池的优势

1.比能量高，锂离子电池的能量与质量之比可达到120~200Wh/kg，在目前的蓄电池中是最高的。由于金属锂是质量非常轻，同样的质量下，所带的电荷最多。

2.放电电压高，放电电压一般在3.2V~4.2V以上。

3.自放电低，在正常存放情况下，锂离子电池的月自放电率仅为5%左右。

4.循环寿命长，无记忆效应，普通锂二次电池在100%的放电深度下，充放电可达500次以上。如磷酸铁锂电池和钛酸锂电池为负极的电池循环寿命分别超过2000次和5000次。

5.充电效率高，电池循环充放电过程中能量转换效率可达90%以上。

大家或许觉得锂离子电池似乎近些年来一直没什么发展，其实现在制约锂离子电池高性能的因素主要是储锂材料 和电解质材料 的开发与应用。现在研究特别多的石墨烯电池就是利用石墨的层状结构，将锂离子嵌入石墨层中，可以大大增多电池的容量，并且由于石墨烯的超强导电性，提高了电池的充放电效率。关于石墨烯，可以看我的这篇相关文章科学界的明星——石墨烯，它到底是个啥？又有什么用？

以上就是电池的放电原理，你看懂了吗？

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