锂离子电池-基础知识

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锂离子电池是由高脱锂电位材料和低嵌锂电位材料为正负极构成的电池体系。锂离子电池既保留了锂电池高比能量的优点, 又避免了锂电池的不安全性, 在便携式电子器件和电动汽车领域得以广泛应用。

锂离子电池电化学原理

锂离子电池的主要构造包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液等。在充电过程中, 锂离子从正极中脱出, 然后嵌入到负极中, 形成锂离子的嵌入化合物; 而在放电过程中, 锂离子从负极嵌入化合物中脱出, 重新嵌入到正极材料中。锂离子电池充放电时, 相当于锂离子在正极和负极之间来回运动, 因此锂离子电池最初被形象地称为 “摇椅式电池” (racking chair battery) 。

锂离子电池反应原理图

锂离子电池结构、分类及制造

锂离子电池通常包含正极、负极、隔膜、电解液和壳体等几个部分。正负极通常采用一定孔隙的多孔电极, 由集流体和粉体涂覆层构成：负极极片由铜箔和负极粉体涂覆层构成，正极极片为铝箔和正极粉体涂覆层构成，正负极粉体涂覆层由活性物质粉体、导电剂、黏结剂及其他助剂构成。活性物质粉体间和粉体颗粒内部存在的孔隙可以增加电极的有效反应面积, 降低电化学极化。同时由于电极反应发生在固-液两相界面上, 多孔电极有助于减少锂离子电池充电过程中枝晶的生成，有效防止内短路。

锂离子电池的分类方法有很多, 可以按外形、壳体材料、正负极材料、电解液和用途等进行分类。按外形分为扣式电池、圆柱形电池和方形电池, 按电解液分为液体电解质电池、凝胶电解质电池和聚合物电解质电池, 按正负极材料分为磷酸铁锂电池、三元材料电池和钛酸锂电池等, 按壳体材料分为钢壳电池、铝壳电池和软包装电池等, 按用途分为3C 电池和动力电池等。

锂离子电池制造工艺通常包括极片制备、电芯装配、注液、化成和分容分选等主要过程。极片的制备首先是将正负极活性粉体材料、黏结剂、溶剂和导电剂混合, 经过搅拌分散使各组分分散均匀制得浆料, 然后将浆料均匀涂于集流体上并烘干，再将极片经过辊压、分切制得所需尺寸的正负极极片。装配过程包括在正负极片上焊接上正负极极耳，再与隔膜一起卷绕或叠片制成电芯，然后将电芯封装入壳体中。注液化成和老化过程是将装配好的电池经过烘干后注入电解液。然后将注液后的电池充电进行化成，最后在一定温度的环境中储存一段时间进行老化。分容分选是对电池进行测试, 按电池容量、内阻、厚度、电压等指标分成不同等级产品。最后进行包装和出厂。

锂离子电池生产工艺流程

锂离子电池性能指标

锂离子电池的电化学性能包括电动势、内阻、电压、电压特性、容量、充放电特性、循环性能、自放电和储存特性。

电池电动势：电动势是指单位正电荷从电池的负极到正极由非静电力所做的功, 常被称为“电压”。在等温等压条件下, 体系发生热力学可逆变化时, 吉布斯自由能的减小等于对外所做的最大非膨胀功, 如果非膨胀功只有电功, 则吉布斯自由能的增量和电池可逆电动势存在以下关系：

式中, E 为电池可逆电动势，ΔGT,p为电池氧化还原反应吉布斯自由能的差值; n为电池在氧化或还原反应中电子的计量系数; F 为法拉第常数。

ΔGT ,p 为电池化学能转变为电能的最大值, E 为电池电动势的最大值。它们只与氧化还原反应的体系有关, 与氧化还原进行的具体路径无关。实际电池中,化学能转变为电能通常以热力学不可逆方式进行, 因此实际电池正负极之间的电动势一定小于E 。

电池内阻(Ri) ：是指电流流过电池内部所受到的阻力, 包括欧姆电阻 (RΩ)和极化电阻 (Rf) 。欧姆电阻是由电极材料、电解液、隔膜、集流体和极耳等部件的电阻及各部件的接触电阻组成, 而电极与电解液之间的接触电阻不属于欧姆电阻。极化电阻是电化学反应时由极化引起的电阻, 与电极和电解液界面的电化学反应速度及反应离子的迁移速度有关。极化电阻由电化学极化内阻和浓差极化内阻组成。内阻对电池的电压特性有影响。内阻越小, 电压特性通常越好。也就是说电池充电电压越低, 放电电压越高。

电压：开路电压是指外电路没有电流流过时正负电极之间的电位差(Uoc) , 一般开路电压小于电池电动势, 但通常情况下可以用开路电压近似替代电池的电动势。工作电压 (Ucc) 又称放电电压或负荷电压，是指有电流通过外电路时, 电池正负电极之间的电位差。当电流流过电池内部时, 需要克服电池内阻的阻力。因此工作电压总是低于开路电压, 工作电压可用下式表示:

式中, Ucc为工作电压; E 为电池电动势; I 为工作电流; Ri 为电池内阻。

电池的工作电压与放电制度有关，当恒流放电时工作电压不断下降，降低到允许的最低电压时放电终止，该电压是基于电池安全性和循环寿命的考虑设定的，称为放电终止电。电池工作电压随放电时间变化的曲线称为放电曲线。在放电曲线中, 电压变化相对平稳阶段的电压范围或放电时间称为电压平台。反之充电过程中电压逐渐升高，存在充电终止电压和充电电压平台。

锂离子电池充放电曲线

时率与倍率：当电池恒流充放电时, 电流的大小通常用时率或倍率表示。时率是指以一定的放电电流放完电池额定容量所需的时间 (h)。例如, 额定容量为5A· h 的电池以5A 电流进行放电, 则时率为5A· h/5A=1h, 称1 时率放电; 以1A 电流进行放电, 则时率为5A· h/1A =5h, 称5 时率放电。倍率指电池在放电时放电电流与额定容量的比值, 倍率通常采用 C 表示。例如, 额定容量为5A· h 的电池以5A 电流进行放电, 则倍率为5A/5A· h=1C ; 以1A 电流进行放电, 则倍率为1A/5A· h=0.2C 。时率与倍率在数值上呈现倒数关系。
在电池充放电时, 基于安全和循环寿命考虑, 电池存在最大的充电电流和放电电流。而在电池恒压充电时, 电池的电流不断降低, 当电流降低到足够小时,充电过程终止, 称为终止电流。

电池容量：是指在一定的放电条件下可以从电池获得的电量, 电量单位一般为 A· h 或 mA· h。分为理论容量、额定容量和实际容量。其中理论容量 (C0) 是指电池正负电极中的活性物质全部参加氧化还原反应形成电流时, 根据法拉第电解定律计算得到的电量。实际容量是指在一定的放电条件下, 实际从电池获得的电量。电池的实际容量总是低于理论容量。额定容量 (Cr) 是在设计和制造电池时, 电池在一定放电条件下规定应该放出的最低容量。电池的实际容量通常高于额定容量。

比容量：是指单位质量或单位体积电池所获得的容量, 分别称为质量比容量 (Cm ) 或体积比容量 (CV ) 。电池制备时, 通常某一电极活性物质是过剩的, 因此电池实际容量是由含有活性物质较少的电极决定的。为防止析出枝晶, 锂离子电池中负极容量通常是过剩的, 实际容量由正极容量来决定。

电池能量：电池在一定条件下对外做功所能输出的电能叫做电池的能量, 单位一般用瓦时 (W· h) 表示。分为理论能量和实际能量。理论能量 (W0) 是在放电过程处于平衡状态, 放电电压保持电动势 (E) 数值, 且活性物质利用率为100%的条件下, 电池所获得的能量，W0 =C0E =nFE。实际能量 (W) 是电池放电时实际获得的能量, 可用下式表示: W =CUav，式中, W 为实际能量; C 为电池实际容量; Uav为电池平均工作电压。比能量也称能量密度, 是指单位质量或单位体积电池所获得的能量, 称为质量比能量或体积比能量。理论质量比能量根据正、负两极活性物质的理论质量比容量和电池的电动势计算。

电池功率：是指在一定放电制度下, 单位时间内电池所获得的能量, 单位为W或kW。分为理论功率和实际功率, 电池理论功率 (P0) 可用下式表示 P0=W0/t=IE，实际功率 (P ) 可用下式表示: P =IU =I (E -IRi) =IE -I^2*Ri.

循环寿命：锂离子电池的寿命包括使用寿命、充放电寿命和储存寿命。在一定的放电制度下, 锂离子电池经历一次充放电, 称为一个周期。充放电寿命为在电池容量降至规定值 (常以初始容量的百分数表示, 一般规定为60%) 之前可反复充放电的总次数。使用寿命为电池容量降至规定值之前反复充放电过程中累积的可放电时间之和。而储存寿命是指在不工作状态下, 电池容量降至规定值的时间。锂离子电池常用的寿命为充放电寿命。

自放电和储存性能：电池的自放电和储存性能都是指电池在开路状态下, 在一定温度和湿度等条件下储存过程中, 电池的电压和容量等性能参数随时间的变化特性。一般情况下, 随着储存时间的延长, 电池的电压和容量逐渐减小。如果对储存后的电池进行再次充放电, 电池容量回升的部分就是可恢复的容量, 其余就是不可逆容量。储存性能和储存寿命有关, 通常储存性能越好, 储存寿命越长, 反之亦然。

安全性能：锂离子电池在使用过程中不可避免地存在各种使用不当的情况, 根据电池不同的使用情况制定了许多安全标准和测试方法, 以保证电池在电化学作用、机械作用、热作用和环境作用等条件下的安全性能。电化学作用包括过充电、过放电、外部短路和强制放电等。机械作用包括跌落、冲击、钉刺、挤压、振动和加速等。热作用包括焚烧、沙浴、热板、热冲击、油浴和微波加热等。环境作用包括减低气体压力、浸没于不同液体中、处于不同高度和处于多菌环境等。

来源：LEVEL电池热管理技术

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首次发布时间：2025-08-24

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