锂离子电池的充放电过程-电池处理-纽创节能环保科技

锂离子在正负极之间的“摇摆”

锂离子电池的工作原理，本质上就是锂离子（Li⁺）在充电时从正极脱嵌，穿过电解液和隔膜，嵌入到负极；在放电时则从负极脱嵌，反向移动到正极的过程，为了保持电荷平衡，电子（e⁻）会通过外部电路流动,从而产生电流。

（图片来源网络，侵删）

我们可以用一个简单的比喻来理解：

放电过程是电池向外输出电能的过程,例如手机在使用电池。

宏观表现： 电池的化学能转化为电能，为外部设备（如手机、笔记本电脑）供电。

微观步骤：

（图片来源网络，侵删）

锂离子从负极脱嵌： 在负极（通常是石墨等材料）中嵌入的锂离子，由于化学反应的趋势，会从负极的“层状结构”中脱离出来。
电子通过外部电路移动： 锂离子脱离后，负极会多出电子，为了保持电中性，这些电子会通过外部电路流向正极，电子的定向流动就形成了我们使用的电流。
锂离子穿过电解液： 脱离负极的锂离子（Li⁺）会穿过隔膜，进入电解液，并像乘坐穿梭巴士一样,向正极移动。
锂离子嵌入正极： 到达正极（通常是钴酸锂、磷酸铁锂等材料）后，锂离子重新嵌入到正极的晶体结构中，这个过程会吸收电子，与从外部电路过来的电子结合,使正极恢复到高能量状态。

总结放电过程： 负极 (LiC₆) → Li⁺ + e⁻ + 石墨 Li⁺ + e⁻ + 正极 → Li-正极

总反应：负极 + 正极 → 放电 → 负极(贫锂) + 正极(富锂) + 电能

在这个过程中，负极的锂含量减少,正极的锂含量增加。

充电过程是外部电源（如充电器）向电池输入电能,将电能转化为化学能储存起来的过程。

宏观表现： 将电能转化为化学能，为电池“加油”。

微观步骤：

总结充电过程： 正极 → Li⁺ + e⁻ + 正极(贫锂) Li⁺ + e⁻ + 负极 → Li-负极 (如 LiC₆)

总反应：负极(贫锂) + 正极(富锂) → 充电 → 负极 + 正极 + 电能

在这个过程中，正极的锂含量减少，负极的锂含量增加,电池恢复到满电状态。

电压变化：
- 锂电池的电压不是固定的，放电时，电压会从满电电压（如3.7V-4.2V）逐渐下降到截止电压（如3.0V）。
- 充电时,电压会从截止电压逐渐上升到满电电压。
- 电压曲线是判断电池状态（如电量、健康度）的重要依据。
极化现象：
- 在大电流充放电时，电池的实际电压会偏离理论电压，这包括：
  - 欧姆极化： 内阻造成的电压降。
  - 浓差极化： 锂离子在电极表面和内部浓度不均造成的阻力。
  - 活化极化： 电化学反应本身需要克服的能量壁垒。
- 极化会导致电池可用容量降低、发热增加。
副反应与老化：
- 电解液分解： 在过高电压或温度下，电解液会分解，生成气体和固体，消耗活性物质,增加内阻。
- SEI膜生长： 在首次充电时，负极表面会形成一层固体电解质界面膜，这层膜有益处（保护负极），但后续会持续消耗锂离子和电解液,导致容量衰减。
- 锂析出： 在低温或大电流充电时，锂离子可能来不及嵌入负极，会在负极表面沉积成金属锂，这不仅会永久损失容量，还可能形成锂枝晶，刺穿隔膜导致短路,非常危险。

锂离子电池的充放电过程是一个可逆的、基于锂离子在正负极之间嵌入和脱嵌的化学过程。

理解这个过程，有助于我们更好地使用电池（如避免过充过放、极端温度）、选择合适的充电器,并认识到电池老化和失效的根本原因。