锂离子电池的工作原理及特性

锂离子电池的工作原理及特性
锂离子电池具有体积小、重量轻、比能量高、单体电池电压高（３．６Ｖ）、寿命长和可安全快速充电等特点。

1、锂离子电池的结构
圆柱形锂离子电池的基本结构如下图所示。

▲圆柱形锂离子电池的结构
为了避免因使用不当而造成电池过放电或过充电，在单体锂离子电池内设有三种安全机构。

第一个安全机构为ＰＴＣ（正温度系数）元件，ＰＴＣ的阻值随温度的上升而上升，因而当电池内部的温度过高时，会自动切断负极与正极之间的电路；第二个安全措施是选择适当的隔板材料，当电池内温度上升到一定数值时，隔板上的微孔会自动溶解，从而使电池内的反应停止；第三个安全机构是设置安全阀，当电池内部的压力升高到一定数值时，安全阀将自动打开。

2、锂离子电池的工作原理
锂离子电池的负极活性物质为石墨晶体，正极活性物质为二氧化钴锂ＬｉＣｏＯ２。

充、放电化学反应式为
从反应式可以看出，锂永远以离子的形式出现，不会以金属的形式出现，所以这种电池称为锂离子电池。

3、锂离子电池的主要特性
（1）充电特性曲线
锂离子电池通常采用改进的恒压充电法。

其充电结束电压为４．２Ｖ。

（2）放电特性曲线
锂离子电池的放电终止电压为２．７Ｖ。

采用１小时率、２小时率和５小时率放电时，放电特性曲线如下图所示。

▲锂离子电池的放电特性曲线
从图上可以看出，采用１小时率放电时，放电时间大约为１ｈ。

采用５小时率放电时，放电时间大约为５ｈ。

（3）充放电循环特性
锂离子电池的充放电循环特性曲线如下图所示。

▲锂离子电池的充放电循环特性
从图上可以看出，经过３００次充放电循环以后，锂离子电池的容量仍然可达到其额定值的８５％以上。

（4）存储特性
在不同环境温度下，锂离子电池存储后的剩余电量与存储时间的关系如下图所示。

▲剩余容量与存储时间的关系
当环境温度为－２０℃时，存储６个月后，电池剩余容量仍可保持在额定容量的９０％以上。

环境温度为２０℃时，存储６个月后，电池的剩余容量仍可达到额定容量的７０％以上。

锂离子电池存储后电池容量恢复率与存储时间的关系如下图所
示。

▲容量恢复率与存储时间的关系
从图中可以看出，环境温度为２０℃时，存储６个月后，电池重新充电后，容量可达到存储前的９０％以上。

4、锂离子电池的主要优缺点
（1）主要优点
锂离子电池与镍镉和镍氢电池相比，有以下优点：
①工作电压高
通常单体锂离子电池的电压为３．６Ｖ，为镍镉和镍氢电池的３倍。

单体电池即可为３Ｖ的逻辑电路供电。

对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数大大减少。

①体积小、重量轻、比能量高
通常锂离子电池的比能量可达镍镉电池的２倍以上，与同容量镍氢电池相比，体积可减小３０％，重量可降低５０％，有利于便携式电子设备小型轻量化。

①寿命长
锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成锂枝
晶，从而可以避免电池因内部锂枝晶短路而损坏。

目前，锂离子电池的寿命可达１２００次以上，远远高于其他各类电池。

①可安全快速充电
锂离子电池与金属锂电池不同，它的负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。

①允许温度范围宽
锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在－２０℃～６０℃之间工作。

高温放电性能优于其他各类电池。

此外，锂离子电池还具有自放电小、无记忆效应和无环境污染等优点，综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池。

锂离子电池的应用，在世界各地引起巨大轰动。

（2）主要缺点
锂离子电池主要有以下缺点：
①与干电池无互换性
锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池互换的缺点。

当蓄电池放完电后，通常会想到用干电池暂时取代，但由于二者电压不同，不能直接代换。

①快速充电时间相对较长
锂离子电池无法像镍镉电池那样，用１５ｍｉｎ快速充足电。

锂离子电池的充电方法是：最初以恒定电流充电，最后则以恒定电压完成充电。

现在各电池公司推荐的充电速率是１Ｃ，这样，充电时间约需２ｈ，第１ｈ可充入电池额定容量的８０％左右。

①内部阻抗高
因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多，因此，锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大１０倍。

直径１８ｍｍ、长６５０ｍｍ的单体电池的阻抗为５０×１０－２Ω。

①工作电压变化较大
电池放电到额定容量的８０％时，镍镉电池的电压变化很小（约２０％），锂离子电池的电压变化很大（约４０％），如图５．４．６所示。

▲锂离子电池与镍镉／镍氢电池放电特性比较对电池供电的设备来说，这是严重的缺点。

但是由于锂离子电池放电电压变化较大，很容易据此检测电池的剩余电量。

①放电速率较大时，容量下降较快
放电速率为０．５Ｃ时，锂离子电池和镍镉电池容量的减小量相
当，但放电速率大于１Ｃ时，锂离子电池的容量严重减少，如下图所示。

▲锂离子电池与镍镉电池放电容量比较
（3）锂离子电池与其他蓄电池性能比较
各种常用蓄电池的主要性能如下表所列。

各种常用蓄电池主要性能比较
可以看出，在所有蓄电池中，锂离子电池的标称电压、能量质量比、功率质量比等都是最高的，并且自放电率也较小，循环寿命也较长。