鋰電池的構(gòu)造及工作原理

鋰電池的構(gòu)造及工作原理隨著電池技術(shù)的發(fā)展，鋰電池已經(jīng)進入了工作、生活的方方面面。小到手機電池，大到新能源汽車的電池模組，無處不見鋰電池的身影。但我們也經(jīng)常聽到身邊關(guān)于電池使用的抱怨，例如不耐用，損耗快。您想知道鋰電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理嗎？您是否會正確使用鋰電池呢？下文將為大家普及鋰電池知識。鋰電池的構(gòu)造鋰電池是一種充電電池，它一般采用含有鋰元素的材料作為電極，主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。電池內(nèi)材料為正、負極，隔膜，電解液。正極與負極鋰電池的正極是將正極材料（如LFP、NCM）涂布在鋁箔（集流體）上，負是將負極材料（如石墨、LTO）涂布在銅箔（集流體）上。隔膜正負極之間有一層隔膜（Separator），使正負極隔離，防止電子穿過，同時又能使鋰離子順利通過。電解液電解液在電池中起到傳導鋰離子的作用。在電池放電的過程中，Li+從負極穿過隔膜到正極，電子則從負極經(jīng)過外部電路回到正極形成了電流。電池的充電過程則剛好相反。下圖為鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。.鋰電池的工作原理及衰減如果把正極比作“工廠”，負極比作“公寓”，Li+（鋰離子）比作“員工”。那么放電就是員工從公寓去工廠上班釋放能量的過程，充電就是員工下班回公寓休息補充能量的過程。從這個比喻中我們可以想象無論是工廠崗位的減少，或是公寓的年久失修，以及員工的流失，最終都會導致了整體的衰減。筆者再提出一個類比模型：若電池像是一個城市，那么電池正極狀態(tài)反應(yīng)的是城市有的工作崗位，電池負極代表城市里的住宅公寓，Li+則是城市中的就業(yè)人員。那么我們可以初步通過這個類比模型來理解電池衰減的可能原因：容量衰減相當于城市的生產(chǎn)總值下降了，可能是就業(yè)崗位減少，居住成本太高或居住環(huán)境劣化，以及就業(yè)人口流失。對應(yīng)的也就是正負極活性材料減少和可移動的Li+減少。內(nèi)阻增加相當于城市的工作效率低下，可能是政府行政阻力大，或是交通系統(tǒng)癱瘓導致員工上下班成本高，以及城市規(guī)劃不合理居住地和工作地越來越遠。也就是電池歐姆阻抗增大，導電性能下降，Li+運動路徑劣化。自放電大相當于城市失業(yè)人口比例上升，占用了城市的資源卻沒有創(chuàng)造效益。也就是Li+異常損耗，電池內(nèi)部微短路。.衰減原因分析正、負極材料脫落和老化電池在不斷的充放電過程中正負極會不斷進行收縮和膨脹變化，不可避免的會產(chǎn)生正負極材料在集流體上的脫落，使得可嵌入Li+的晶格數(shù)量下降，從而影響了電池容量。隨著使用次數(shù)的上升，這個是無法避免的。產(chǎn)生析鋰（過流、低溫）當電池超過可承受的倍率電流運行的時候，大量的Li+來不及嵌入電極，導致在電極表面大量的Li+堆積，最終在電極表面形成了金屬鋰枝晶。Li+變少了，電池容量自然降低。隔膜損傷（高溫）首先電池電極表面一旦存在金屬鋰枝晶，則就有可能刺穿隔膜，引發(fā)正負極的短路。除此之外隔膜在高溫環(huán)境下會分解和收縮，這種情況下也會引起短路。而一旦正負極短路，那么電子就無需通過外部電路即可到達正極，那么電池的整個電化學反應(yīng)就失控了，產(chǎn)生過流、過溫的現(xiàn)象從而進一步損傷電池，并引起熱失控等更嚴重的問題。電解液的損耗和分解（過壓、欠壓）電池電解液的配方是根據(jù)該電池的電壓工作區(qū)間確定，因此不合理的使用電池（過壓欠壓）也會造成電解液的分解。例如當電池過充時，即正極材料化合價升高（過多失去電子），此時正極材料還原性很強，就容易通過與電解液發(fā)生反應(yīng)來得到電子，反應(yīng)不僅消耗了電解液和正極材料，同時還會生成氣體引發(fā)機械形變和漏液的隱患。確保電池長壽命安全穩(wěn)定的工作的前提在于始終保