闲余小话：锂离子电池的原理

1.锂离子电池

锂离子电池包含两个被电解质阻隔的电极。电解质是一种离子导体和电子绝缘体。在放电过程中，电池将化学能转化为电能。电池包中可以包含几个或者平行串联的单个电池。

锂离子电池是一种被人们熟知的rocking chair或者swing电池，因为其在充放电过程中电荷媒介会在电解质中穿梭在电极材料中嵌入或者迁出。

2.电池电压

在某种意义上，电池可以看作“电荷”泵。正负极端的压力差被称作为电压或者电动势。通过外电路进行电子转移的自由能以及在两个插层电极之间的锂离子在两端之间的化学电压是相关的。电极的电势越高，材料中的Li就越难迁出。在放电过程中，Li能够从阳极中能量较高的状态转移到阴极能量较低的状态。

电池依靠其电化学活性物质来储存化学能。这些能量可以按照需求通过氧化还原反应来转化为电能。

3.电池的组成

   锂离子电池一般包含三个主要成分：阳极，阴极，电解质。

阳极：在放电过程中电子通过外电路转移走，电极材料被氧化。大部分商用的电池使用基于炭/石墨的电极材料；不过金属或者合金也可以作为阳极材料。

阴极：在放电过程中，通过外电路接收电子；通常使用过渡金属氧化物或者磷化物来作为阴极材料。

电解质：电解质是一个离子导体，电子的不良导体。电解质阻隔电池的阴阳极，同时能提供电子转移的媒介。电解质一般使用一些非水的有机溶剂，里面溶解一些含Li+的盐。比如LiPF6溶解在碳酸丙烯酯中。

备注：这里省略对隔膜和外壳的介绍。

4.锂离子电池的充放电过程

A. 充电过程

电子一般在放电状态进行组装。在充电过程中，阴极材料（如：LiCoO2）被氧化，锂离子从层状的插层材料中脱出，穿过电解质然后插层到石墨层之中。

B. 放电过程

在放电过程中，负极发生氧化反应，锂离子从阳极脱出然后穿过电解质重新插层到阴极之中。对应的，相应数量的电子会穿过外电路从而平衡电荷。与此同时，正极材料从外电路接收电子和来自溶液中的Li+离子从而发生还原反应。电极和电解质界面发生电子电流和离子电流的交换。

基于插层机理的电池——可逆的插入一个外来离子到固体结构中，而不会破坏宿主材料的结构

原文编译自：Johnson Matthey Battery Systems

http://www.jmbatterysystems.com/technology/cells/how-cells-work

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