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锂离子电池的结构及工作原理

发布日期:2026-01-23  浏览次数:

  锂离子电池的结构可以简化为如图一所示结构。从结构上看,锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜、正极集流体(根据网络资料:正极附着活性物质的基体金属,如图二中的铝箔)、负极集流体(根据网络资料:负极附着活性物质的基体金属,如图二中的铜箔)六部分组成。

  正极材料一般采用富锂化合物,如钴酸锂(LiCoO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)、NCM三元材料(个人理解镍钴锰合金,N代表镍(Ni),C代表钴(Co)、M代表锰(Mn))、锰酸锂(LiMn2O4)等。负极材料一般采用石墨。电解液一般采用溶解了锂盐的碳酸酯类有机溶剂。隔膜是高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。

锂离子电池的结构及工作原理(图1)

  课程中,以钴酸锂为正极,石墨为负极的锂离子电池为例,讲解锂离子充放电过程中锂离子和电子的运动过程。

  充电时,锂离子从正极脱出,经过电解液传输,穿过隔膜嵌入到负极(图二红色球体从右侧向左侧移动)。此时,负极处于富锂状态,正极处于贫锂状态。同时电子的补偿电荷经过外电路供给到石墨负极(图二蓝色球体经过导线从右侧向左侧移动),确保电荷平衡。

  钴酸锂脱去锂离子(Li+)和电子(e-),转变为脱锂态的钴酸锂(Li1-xCoO2)。

锂离子电池的结构及工作原理(图2)

  放电时,过程与充电时相反。锂离子从负极脱出,经过电解液传输,穿过隔膜嵌入到正极材料中(图三红色球体从左侧向右侧移动)。此时,正极处于富锂状态,负极处于贫锂状态。同时,电子的补偿电荷经过外电路传导至正极(图三蓝色球体经过导线从左侧向右侧移动),确保电荷平衡。

锂离子电池的结构及工作原理(图3)

  在锂离子充放电过程中,锂离子处于从“正极→负极→正极”的循环运动状态。如果将锂离子电池的形象比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的正负两极,锂离子可比喻为一名运动健将,在摇椅两端之间来回奔跑。因此,锂离子电池也被称为“摇椅电池”。

锂离子电池的结构及工作原理(图4)

  在理想充放电情况下,锂离子在层状正极材料和石墨负极材料PG电子官方网之间反复嵌入和脱出,一般只引起材料的层面间距变化,不破坏材料的晶体结构。所以,就充放电反应的可逆性来说,锂离子电池充放电过程中的氧化还原反应是一种理想的可逆反应。

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