從電子設(shè)備的電源，到新能源電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源，鋰離子電池已經(jīng)深入到人類日常生活的方方面面。本文將以另一個(gè)視角帶領(lǐng)大家深入鋰離子電池內(nèi)部，去看看在鋰離子電池正常充放電過(guò)程中，其內(nèi)部發(fā)生了什么樣的物理化學(xué)現(xiàn)象，以及如何利用數(shù)學(xué)方法對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行描述。

所有的物理化學(xué)過(guò)程都是以幾何結(jié)構(gòu)為載體的，本文首先介紹了鋰離子電池的幾何結(jié)構(gòu)，然后以此為基礎(chǔ)介紹了鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程及其數(shù)學(xué)描述。

1.鋰離子電池的“三明治結(jié)構(gòu)

圖1鋰離子電池結(jié)構(gòu)

所有的鋰離子電池，包括不同體系（鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元和磷酸鐵鋰等）和不同制造工藝（卷繞和碟片等），其內(nèi)部都是由若干基本的單元組成的，如圖1（a）紅色方框所示。

該基本單元又可以分為5個(gè)區(qū)，如圖1（b）所示，從左到右依次是：正極集流體、正極極片、隔離膜、負(fù)極極片和負(fù)極集流體。其中，正、負(fù)極集流體一般分別為鋁箔和銅箔；正、負(fù)極極片是由活性材料、導(dǎo)電材料和粘接劑等混合之后均勻涂在正、負(fù)極集流體上形成的一層多孔介質(zhì)，可以通過(guò)電解液；隔離膜為允許鋰離子通過(guò)但不允許電子通過(guò)的多孔介質(zhì)。

這種基本單元的結(jié)構(gòu)在外形上與三明治極為相似，因此也將該基本單元形容成“三明治結(jié)構(gòu)。該“三明治結(jié)構(gòu)，也是鋰離子電池所有物理化學(xué)過(guò)程的載體，接下來(lái)將以此為基礎(chǔ)對(duì)鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程（物理化學(xué)過(guò)程）進(jìn)行說(shuō)明。

2.鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)過(guò)程

圖2鋰離子電池動(dòng)力學(xué)過(guò)程的原理圖

當(dāng)鋰離子電池接入回路（接入負(fù)載或者外部電源）中時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一系列的物理化學(xué)變化。本節(jié)以鋰離子放電過(guò)程為例，來(lái)揭示鋰離子電池內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。充電過(guò)程與放電過(guò)程的原理是一樣的，區(qū)別只是電荷運(yùn)動(dòng)的方向相反。

圖2（a）為幾種鋰離子電池及其使用過(guò)程的示意，圖2（b）為鋰離子電池動(dòng)力學(xué)過(guò)程的原理圖。為了便于建立模型，活性材料被簡(jiǎn)化成球形，負(fù)極用LixC6表示，正極用LiMOy表示。