化说科研 | 锂离子电池工作原理及其主要性能指标

日益减少的化石能源储量

与日益增加的能源需求

是人类所面临的共同难题

日益恶化的环境问题同时也迫使人们

加快发展清洁能源的脚步！

锂离子电池作为目前商业化程度较高的电池

已在便携式电子设备、电动汽车

及大规模智能电网有了广泛的应用

在之前的化说科研中

我们已经简单认识锂离子电池

（戳下方链接回顾：

那么本期化说科研

将带来什么知识干货呢

快跟随团团的脚步来看看

锂离子电池的工作原理

锂离子电池作为优异的储能设备，主要由正极材料、负极材料、电解质、隔膜4个部分组成。其中正负极材料能够保证锂离子在其中进行可逆地嵌入和脱出，以达到储存和释放能量的目的。电解质应该具有较高的锂离子电导率和极低的电子电导率，确保锂离子可以在电解液中快速传导并减少自放电。隔膜处于正负极材料中间，避免电池因两电极直接接触而短路，并且对电解质具有较好的浸润性，能够形成锂离子的迁移通道。

锂离子电池采用一种类似摇椅式的工作原理, 充放电过程中Li⁺在正负极间来回穿梭, 从一边“摇”到另一边, 往复循环, 实现电池的充放电过程。

可充电“摇椅式”锂离子电池的基本工作原理如图1所示。以商业化的钴酸锂/石墨锂离子电池为例：充电时，Li⁺从钴酸锂正极脱出，经过电解液和隔膜嵌入石墨，电子通过外电路从正极到达负极并伴随着正极材料中Co³⁺的氧化，正极材料中锂离子浓度降低而负极材料中锂离子浓度升高。放电过程则正好相反，Li⁺自发地从负极脱出经过电解液和隔膜并嵌入到正极材料中，电子从外电路到达正极并引发了高价钴的还原。所以，循环过程中锂离子电池的电化学反应式如下：

(图1 锂离子电池的基本工作原理)

主要性能指标

1

电池的容量

电池容量是在一定条件下（放电率、温度、终止电压等）放出的电量，通常以mAh、Ah(1Ah=1000mAh)为单位。其有额定容量和实际容量之分。电池的额定容量是指电池在环境温度为20℃±5℃条件下，以5h率放电至终止电压时所应提供的电量，用C₅表示。电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，主要受放电倍率和温度的影响。如图2为磷酸铁锂电池在不同倍率下的放电电压与容量关系曲线：

（图2 不同放电电流与容量的关系曲线）

从图2中可以看出，电池放电电流的大小会直接影响到电池的实际容量。放电电流越大，电池容量相应减小，这表明放电电流越大，到达终止电压经历的时间越短。所以谈到电池容量时，应指明其放电电流(放电倍率)。

2

电池内阻

电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。电池内阻值大，（在电池正常使用过程中）会产生大量焦耳热，引起电池温度升高，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短，对电池性能、寿命等造成严重影响。其大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。

例如：通过分析RPT测试中的HPPC脉冲放电数据,可以计算得到各个SOC的内阻。取放电60s后的数据点计算直流内阻，直流内阻、欧姆内阻和极化内阻计算方法如下:

B1、B2、B3三组电池在不同循环次数下的直流内阻、欧姆内阻和极化内阻，具体如图3所示。随着循环次数的增加，电池内阻逐渐变大，增长速度加快，其中欧姆内阻近似于线性增长，较为稳定，这部分内阻增长是由于SEI膜缓慢增长导致的；而极化内阻则随着电池老化而增长得越来越快，其原因在于孔隙率下降导致锂离子扩散速率下降。此外，三组电池内阻相差不超过5%，因此充放电倍率对内阻变化几乎没有影响。

（图3 B1、B2、B3三组电池

在不同循环次数下的

直流内阻、欧姆内阻和极化内阻）

3

电压

开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。一般情况下，锂离子电池充满电后开路电压为4.1—4.2V左右，放电后开路电压为3.0V左右。通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态。

工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电工作状态下，工作电压低于开路电压，充电时则与之相反。锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。

4

放电平台时间

放电平台时间是指在电池满电情况下，以制定的放电条件(如倍率和温度等)放电至某电压的放电时间。例如：对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间，以恒压充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.02C时停止充电即充满电后，搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间。这段时间越长，表明电池放电平台越高，即该电池性能越好。

5

充放电倍率

充放电倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，1C在数值上等于电池额定容量，通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为10Ah，则10A为1C（1倍率），5A则为0.5C，100A为10C，以此类推。

锂离子电池的充放电倍率性能主要与锂离子电池的电极材料和电解质有关。电极材料的类型、结构、尺寸和表面电阻会直接或间接影响电极的内阻，进而对锂离子电池的倍率性能产生影响。电解质的锂离子传导能力和电化学窗口会影响电池的嵌锂程度、循环性能和安全性能。

例如：图4为3种LiFePO₄样品的SEM图。从图4可知，样品A颗粒分布不均匀且较大；样品B、C颗粒分布较均匀，样品C的颗粒最小，样品B颗粒适中，便于涂覆。3种LiFePO₄样品制得的电池在不同倍率下的放电性能见图5。从图5可知，以0.20 C放电，比容量是：样品C>样品B>样品A,但以高倍率放电，尤其是15.00 C放电时，样品A和C放电较困难，样品B的放电性能较好。

（图4 3种LiFePO₄样品的SEM图）

（图5 3种LiFePO₄样品制得的电池

在不同倍率下的放电性能）

6

自放电率

电池的自放电现象是指电池处于开路搁置时，其容量自发损耗的现象，也称为荷电保持能力。自放电一般可分为两种：可逆自放电和不可逆自放电。损失容量能够可逆得到补偿的为可逆自放电，其原理跟电池正常放电反应相似。损失容量无法得到补偿的自放电为不可逆自放电，其主要原因是电池内部发生了不可逆反应，包括正极与电解液反应、负极与电解液反应、电解液自带杂质引起的反应，以及制成时所携带杂质造成的微短路引起的不可逆反应等。

7

效率

充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程度的量度。主要受电池工艺，配方及电池的工作环境温度影响，一般环境温度越高，则充电效率要低。

放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比，主要受放电倍率，环境温度，内阻等因素影响，一般情况下，放电倍率越高，则放电效率越低。温度越低，放电效率越低。

8

循环寿命

随着锂离子电池充电、放电，电池容量降低到额定容量的70％时，所获得的充放电次数称为循环寿命。锂离子电池循环寿命一般要求大于500次。

这就是本期化说科研的全部内容啦

为实现“碳达锋”“碳中和”目标

锂离子电池储能技术的发展

依然任重道远

需要更多同学静下心来

怀揣科研热忱初心

追逐强国赤子之梦

我们下期再见！

参考文献

[1]闫金定.锂离子电池发展现状及其前景分析

[J].航空学报,2014,35(10):2767-2775.

[2]韩啸,张成锟,吴华龙,黄友章,谢清水,王来森,彭栋梁.锂离子电池的工作原理与关键材料

[J].金属功能材料,2021,28(02):37-58.

[3]张国安.锂离子电池特性研究

[J].电子测量技术,2014,37(10):41-45.

[4]范智伟,乔丹,崔海港.

锂离子电池充放电倍率对容量衰减影响研究

[J].电源技术,2020,44(03):325-329.

[5]王鹏博,郑俊超.锂离子电池的发展现状及展望

[J].自然杂志,2017,39(04):283-289.

[6]钟海江,唐有根,卢周广,张军.

LiFePO_4锂离子电池的高倍率充放电性能

[J].电池,2012,42(03):142-145.

[7]《锂离子电池原理与关键技术》

[J].电源技术,2021,45(08):1007.

往期回顾

青年大学习 | 你有一份优秀组织奖待查收

- THE END -

图片 | 网　络 

文案 | 张煊玉

编辑 | 廖梓煜

责任编辑 | 董超群

初审 | 韩傲妍 苏心钰

复审 | 张舒瑜

终审 | 陈巧年