鋰離子電池的充放電原理

目前鋰離子電池公認(rèn)的基本原理是所謂的"搖椅理論"。鋰離子電池的充放電不是通過傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過鋰離子在層狀物質(zhì)的晶體中的出入，發(fā)生能量變化。在正常充放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此從充放電反映來講，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。在充放電時鋰離子在電池正負(fù)極往返出入，正像搖椅相同在正負(fù)極間搖來搖去，故有人將鋰離子電池形象稱為搖椅池。

電池由正極鋰化合物、中間的電解質(zhì)膜及負(fù)極碳組成。當(dāng)電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時反之。一般采用嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。做為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物，包括SnO、SnO2、錫復(fù)合氧化物SnBxPyOz等。

電解質(zhì)采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）丙烯碳酸脂、（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的高分子材料。隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜。外殼采用鋼或鋁材料，具有防爆的功能。鋰離子電池的額定電壓為3.6V。電池充滿時的電壓（稱為終止充電電壓）一般為4.2V；鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。假如鋰離子電池在使用過程中電壓已降到2.5V后還繼續(xù)使用，則稱為過放電，對電池有損害。

鋰離子電池的特性是通過其充放電過程中端電壓的變化反映出來的。電池端電壓的變化間接體現(xiàn)了電池的充放電容量、內(nèi)阻、表面升溫、充放電平臺、電極極化程度、壽命等指標(biāo)隨時間變化的規(guī)律。因此，充放電電壓特性一致的電池在電化學(xué)特性上具有很好的一致性。利用電池的動態(tài)特性配組的結(jié)果也會相應(yīng)不同。

鋰離子電池的充電過程分三個階段：預(yù)充電階段；恒流充電階段；恒壓充電階段。

預(yù)充電階段是在電池電壓低于3V時，電池不能承受大電流的充電。這時有必要以小電流對電池進(jìn)行浮充；當(dāng)電池電壓達(dá)到3V時，電池可以承受大電流的充電了。這時應(yīng)以恒定的大電流充電。以使鋰離子快速均勻轉(zhuǎn)移，這個電流值越大，對電池的充滿及壽命越有利；當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時，達(dá)到了電池承受電壓的極限。這時應(yīng)以4.2V的電壓恒壓充電。這時充電電流逐漸降低。當(dāng)充電電流小于30mA時，電池即充滿了。這時要停止充電。否則，電池因過充而降低壽命。這種先恒流后恒壓的方法，是目前鋰離子電池最常用的充電方法。