锂电池的工作原理简单易懂（关于锂电池的工作原理）

随着传统化石燃料的枯竭和当前世界经济的发展，人们对能源的需求日益提高和紧迫。开发替代传统化石燃料的新型、绿色、高效能源，开展21世纪第四次工业革命中的能源技术革命，对于缓解温室气体排放等引起的全球气候问题和解决全球能源危机具有重要意义。

在21世纪能源技术革命中，能源的存储和高效转化是该领域的关键基础科学与应用科学问题。可充电二次电池等能源器件可以有效地实现能源的不同规模的存储与高效率转化利用，锂离子电池在能源存储和转化方面发挥着至关重要的作用。

图1 传统化石燃料枯竭和能源技术路线

图2 能源技术变革图

从1970代埃克森的M.S.Whittingham硫化钛和锂金属分别作为正极、负极材料制作首个锂电池，到1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池，再到2019年锂离子电池获得诺贝尔化学奖，人们在锂离子电池的基础科学与应用科学方面取得了大量的研究成果，从而有力地推动了能源技术革命。

图3 诺贝尔化学奖-锂电池创新

经过三十多年的长足发展，具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、成本低、绿色可回收等优点的锂离子电池，已被广泛应用于交通出行、消费电子、储能系统、智能穿戴等生活与生产领域。

电动自行车以及低速电动车将越来越多地使用锂离子电池替代传统的铅酸电池；在消费电池应用领域，5G技术的成熟及大规模商业化应用将催生智能移动设备的更新换代需求。此外，可穿戴设备、无人机、无线蓝牙音箱等新兴电子产品的兴起亦将为消费电池带来新的市场；在储能电池应用领域，电网储能、基站备用电源、家庭光储系统、电动汽车光储式充电站等都有着很大的成长空间。可以预见，锂离子电池行业发展空间广阔，市场体量巨大。

图4 应用领域图

从结构学和化学组成的角度来看，锂电池的结构主要为五个部分：正极材料，负极材料，隔膜材料，电解液（电解质）、电池外壳组成。

正极材料主要为电极电势较高、结构稳定的具有嵌锂能力的层状或尖晶石结构的过渡金属氧化物或聚阴离子型化合物，如钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。

负极材料主要为电位接近锂电位、结构稳定的并可大量储锂的层状石墨、金属单质及金属氧化物，如石墨、中间相碳微球、钛酸锂等。

隔膜是放置于两极之间，作为隔离电极的装置，藉以防止两极上的活性物质直接接触而造成锂离子电池内部的短路。但隔膜仍需能让带电离子通过，以形成通路，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，或它们复合膜，PP/PE/PP三层隔膜。

电解液通俗的讲，就是游泳池里面的“水”，让锂离子能够自由的游来游去。电解液为溶有电解质锂盐的有机溶剂，提供锂离子，电解质锂盐有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有机溶剂主要由碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲酯(DMC)等其中的一种或几种混合组成。

图5 电池组成图

对结构组成有了简单了解后，就可以认识锂电池工作原理。根据锂电池的工作原理特征，人们给锂离子电池进行了一个形象的比喻，将锂离子电池称为“摇椅式电池”。简单来看就是充放电过程中，锂离子始终处于“正极-负极-正极”的反复运动状态之中。

把锂离子电池比作为摇椅，可以生动形象的诠释锂离子电池的工作原理：在每一次充放电循环过程中，锂离子（Li ）充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极→负极→正极来回的移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷和能量的存储与转移，这就是“摇椅式电池”的基本原理。

图6 摇椅电池图

具体工作原理为，充电过程中，充电的时候，在外加电场的影响下，正极材料LiCoO2分子里面的锂元素脱离出来，变成带正电荷的锂离子（Li ），在电场力的作用下，从正极移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生成LiC6，于是从正极跑出来的锂离子就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构当中。从正极跑出来转移到负极的锂离子越多，这个电池可以存储的能量就越多。放电的时候刚好相反，内部电场转向，锂离子（Li ）从负极脱离出来，顺着电场的方向，又跑回到正极，重新变成钴酸锂分子（LiCoO2）。从负极跑出来转移到正极的锂离子越多，这个电池可以释放的能量就越多。由于电解质、隔离膜等都是电子的绝缘体，所以这个循环过程中，并没有电子在正负极之间的来回移动，它们只参与电极的化学反应。

图7 锂电池工作动画

最后总结来看，锂电池在本质上由于具有高能量密度、高功率密度、安全性高、成本低、寿命长、低碳环保、材料可循环回收等根本优点，未来发展和应用前景广阔。另外，锂电池的基本材料变革、电池结构设计变革和电动车技术变革正在逐步深化加深，相信经过科学家和工程师的努力，和国家顶层与宏观政策的支持，锂电池技术会在当前正在进行的先进能源技术革命中发挥重要作用，并深入影响人类社会进程。

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