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(guò)傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過(guò)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(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此從充放電反映來(lái)講，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。在充放電時(shí)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(lái)?yè)u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(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)反之。一般采用嵌鋰過(guò)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(shí)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(guò)程中電壓已降到2.5V后還繼續(xù)使用，則稱為過(guò)放電，對(duì)電池有損害。

鋰離子電池的特性是通過(guò)其充放電過(guò)程中端電壓的變化反映出來(lái)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(tái)、電極極化程度、壽命等指標(biāo)隨時(shí)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(dòng)態(tài)特性配組的結(jié)果也會(huì)相應(yīng)不同。

鋰離子電池的充電過(guò)程分三個(gè)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(shí)，電池不能承受大電流的充電。這時(shí)有必要以小電流對(duì)電池進(jìn)行浮充；當(dāng)電池電壓達(dá)到3V時(shí)，電池可以承受大電流的充電了。這時(shí)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(gè)電流值越大，對(duì)電池的充滿及壽命越有利；當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，達(dá)到了電池承受電壓的極限。這時(shí)應(yīng)以4.2V的電壓恒壓充電。這時(shí)充電電流逐漸降低。當(dāng)充電電流小于30mA時(shí)，電池即充滿了。這時(shí)要停止充電。否則，電池因過(guò)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。