锂电池基本原理

一、锂电池结构示意图

了解锂电池工作原理之前，先大概了解下锂电池的组成部分，如下示意图：

锂电池结构示意图

锂离子电池电池组成部分如下：

（1）正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元 少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。从电池重量构成上来看，正极材料占有较大比例（一般在70%~80%），因为正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。正极材料占锂离子电池成本30%~40%，也直接影响锂电池包的能量密度和性能。

（2）隔膜——种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。隔膜有一定的孔径和孔隙率，保证低的电阻和高的离子电导率，对锂离子有很好的透过性，对电解液的浸润性好并具有足够的吸液保湿能力，保持离子导电性，同时具有电子绝缘性，保证正负极的机械隔离，此外应有足够的穿刺强度、拉伸强度等力学性能及耐电解液腐蚀性和足够的电化学稳定性。动力电池对隔膜的要求更高，通常采用复合膜。

（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。负极材料是由相对于正极电势更低的材料构成，并具有高比容量和较好的充放电可逆性，从而在嵌锂的过程中保持良好的尺寸和机械稳定性（不发生严重变形）。负极材料主要影响锂电池的效率、循环性能等，负极材料的性能也直接影响锂电池的性能，负极材料占锂电池总成本10~20%左右。负极材料种类上，包括碳系负极、非碳性负极。

（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。电解液在正极与负极之间起到运输电荷的作用（类似与无线电中的载波），具有较高的离子电导率，一般应达到1x10-3~2x10-2S/cm。它影响着锂电池包的能量密度、宽温应用、循环寿命、功率密度、安全性能等因素。

（5）电池外壳——分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。

二、锂电池工作原理图解

下面从锂电池充电过程、放电过程和电池保护板三大部分给大家介绍其工作原理：

1、锂电池充电过程

锂电池工作原理

电池的正极由锂离子生成，生成的锂离子从正极“跳进”电解液里，通过电解液“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，运动到负极，与早就通过外部电路跑到负极的电子结合在一起。●正极上发生的反应为：LiCoO2==充电==Li1-xCoO2 Xli Xe(电子)●负极上发生的反应为：6C XLi Xe=====LixC6在充电的过程中，Li 从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在负极形成LiC化合物。

2、锂电池放电过程

放电时电子和Li 都是同时行动的，方向相同但路径不同，电子从负极通过外部电路跑到正极；锂离子Li 从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

3、电池保护板

顾名思义，电池保护板主要是针对可充电电池（一般指锂电池）起保护作用的集成电路板。锂电池（可充型）之所以需要保护，是由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池总会有保护板和一片电流保险器出现。下图为电池板保护电路。PTC：正温度系数热敏电阻；NTC：负温度系数热敏电阻，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充电设备能够及时反应，控制内部中断而停止充放电；U1为电路保护芯片，U2为两个反接的MOSFET开关。正常状态下电池板U1的CO和DO都输出高电压，两个MOSFET都处于打开状态，电池可以自由充放电。

充电保护简化原理图

过充电保护：当U1检测到电池电压达到过充保护门限，CO管脚输出低电平，MOS管开关2由导通转为关闭，充电回路关断，充电器无法再对电池充电，从而实现过充保护。

过放电保护：在电池放电过程中，当U1检测到电池电压低于过放保护门限时，DO脚由高电平转变为低电平，MOS管开关1关闭，使电池无法再放电；过放电保护状态下电池电压不能再降低，要求保护电路的电流极小，控制电路进入低功耗。过流保护：正常情况下，电池对负载进行放电，电流经过两个串联的MOS管开关，VM管脚检测到两个MOS管的压降电压为U。若负载因某种原因导致U异常，使回路电流增大，当U大于一定值时，DO管脚由高电压转变为低电压，MOS管开关1关闭，从而使放电回路电流为零，达到过电流保护作用。